嚴 厚 治， 周 正 清

(中國安能集團第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

在水工隧洞建設過程中，塌方是一種主要的施工災害，尤其是在巖體蝕變帶修建大斷面水工隧洞時更容易發(fā)生規(guī)模較大的塌方且處理困難、處理代價高。處理塌方一方面將造成經濟損失，另一方面將嚴重影響到隧洞的建設工期。隧洞塌方處理方案不當亦會產生后果嚴重的次生災害或給隧洞未來的運營埋下隱患。筆者結合硬梁包水電站引水隧洞大斷面洞室塌方的處理，分析了塌方原因，提出了塌方處理的基本原則及處理方案并附付諸實施，取得了較好的效果。

硬梁包水電站位于四川省甘孜藏族自治州瀘定縣冷磧鎮(zhèn)境內的大渡河干流上。工程規(guī)模為2等大(2)型，電站裝機4臺，總裝機容量為108萬kW，采用混凝土閘和面板堆石壩+左岸引水系統(tǒng)+地下廠房的樞紐總布置方案。引水系統(tǒng)建筑物包括引水隧洞、調壓室、壓力管道等。

引水隧洞為兩條平行布置的隧洞，引水隧洞在平面布置上共設置了5個轉彎點，轉彎半徑為200 m或80 m，1號、2號引水隧洞兩洞中心間距為60 m，內徑為13.1 m，進水口底高程為1 215 m，末端調壓室處隧洞底高程為1 198 m,縱坡分別為i1=0.001 192、i2=0.001 183，洞長分別為14 316.909 m、14 420.679 m。

引水隧洞1號施工支洞、2號施工支洞控制段主洞樁號范圍為0+050～3+995，工程施工完畢對2條施工支洞均進行了封堵處理。

2 塌方的基本情況

2.1 塌方體

2020年7月22日22∶10，2號施工支洞控制段1號引水隧洞上游面樁號2+878掌子面爆破后圍巖揭露輝綠巖體蝕變，巖體較破碎～破碎，自穩(wěn)能力差，地下水較豐富，呈線性流水。次日凌晨2∶55陸續(xù)對掌子面噴混凝土、施工隨機錨桿、掛網、架設鋼支撐等，7月24日10∶30，掌子面開始出現(xiàn)小范圍坍塌，隨即對掌子面噴鋼纖維混凝土進行封閉，待巖體穩(wěn)定后再掛鋼筋、架設鋼支撐。由于巖體極不穩(wěn)定，加上巖層裂隙水不斷滲漏加劇了巖體的失穩(wěn)和塌落，在進行支護過程中多次出現(xiàn)小范圍掉塊、掉渣等現(xiàn)象，至8月1日凌晨掌子面再次出現(xiàn)掉渣、掉塊現(xiàn)象，噴射鋼纖維混凝土已無法穩(wěn)定掌子面，以致拱頂塌方范圍持續(xù)增大形成臨空自由面，導致塌方連鎖反應形成較大的空腔，至8月1日下午13∶50，塌方部位掌子面已全部被覆蓋。為保證施工安全，將人員、設備撤離至安全區(qū)域，塌方體穩(wěn)定后，測量塌方堆體坡頂樁號2+877.9、坡腳樁號2+887.1，塌方堆體高度為7.62 m，結合現(xiàn)場實際情況，初步推算塌方體方量約為300 m3，掌子面塌方影像如圖1所示。

圖1 掌子面塌方影像

2.2 塌方原因初步分析

根據1號引水隧洞樁號2+888～2+868段地質預報所述，1號引水隧洞開挖至樁號2+890處揭示的地質條件為：巖性為灰白色花崗巖，掌子面右側頂拱發(fā)育一條輝綠巖脈，產狀SN/E∠50°，寬1.5 m，未揭穿，綠簾石蝕變使得沿該巖脈間歇性掉塊，小斷層f1產狀為SN/E∠25°，寬5 cm；裂隙密集發(fā)育，巖體以中等硬度為主，局部高嶺土蝕變，巖體自穩(wěn)能力差，巖體較破碎，以碎裂結構為主，局部呈鑲嵌結構，潮濕、散狀滴水，主要為Ⅳ類巖體。預測樁號2+888～2+868段圍巖以花崗巖為主，巖體結構主要為碎裂結構，局部呈鑲嵌結構，以C類蝕變?yōu)橹鳎植繛镈類蝕變，地下水呈線性流水，以Ⅳ類圍巖為主，圍巖穩(wěn)定性差～極差。

掌子面開挖至2+880，圍巖揭露情況與地質預報基本吻合。為確保施工安全，對樁號2+880～2+875段進行了加強支護，并新增I20a型鋼支撐，間距1 m，掌子面開挖至樁號2+878圍巖揭露顯示：掌子面頂拱部位大部分為輝綠巖體蝕變，巖體松散、巖石強度較低，裂隙極為發(fā)育，自穩(wěn)性極差，巖層裂隙水不斷滲漏加劇了巖體的失穩(wěn)和塌落，處理過程中的持續(xù)塌方形成臨空自由面，導致塌方連鎖反應，噴射鋼纖維混凝土無法穩(wěn)定，形成了較大的塌方空腔。綜上所述：此次塌方主要為輝綠巖蝕變巖脈引起的地質性塌方。

3 塌方處理采用的技術措施

針對2號施工支洞控制段1號引水隧洞上游面塌方體，經過多次討論研究，確定了兩階段處理方案。第一階段為加強支護及灌漿階段；第二階段為塌方體處理及向前掘進階段。具體如下：

3.1 第一階段：加強支護及灌漿

(1)對塌方體掌子面附近實施物探鉆孔以檢測圍巖松弛情況，布置在樁號2+892處；在拱腰、拱頂分別布置物探孔進行孔內電視、聲波測試圍巖松動圈范圍，物探孔采用多臂鉆鉆孔，鉆孔孔徑為φ130 mm，孔深6 m，結合現(xiàn)場監(jiān)測結果及時對塌方體坡腳進行堆載反壓。

(2)對1號引水隧洞樁號2+875～2+913段加密布置圍巖收斂觀測點，圍巖收斂觀測點按照2 m距離進行布設，每個樁號斷面布置3個測點，拱頂布置1個，兩側自上層開挖底板以上4 m位置各布置1個，圍巖收斂監(jiān)測布點情況見圖2。

圖2 圍巖收斂監(jiān)測布點圖

(3)對已布置的圍巖收斂斷面測點及時進行觀測，并對樁號2+875～2+913段已噴混凝土支護表層進行觀察、統(tǒng)計，查明出現(xiàn)噴混凝土脫落、表面裂縫等變形情況的部位并做好過程的監(jiān)測以及相關資料的收集。

(4)在1號引水隧洞樁號2+875～2+913洞段滲水較大部位隨機增加排水孔，以利于裂隙水的排放，減少頂拱范圍圍巖的外水壓力，排水孔孔徑為φ50 mm，單個排水孔深度按照不小于3 m進行控制。

(5)對塌方體掌子面一定范圍內進行固結灌漿，自樁號2+888斷面處依次向塌方掌子面進行灌注，固結灌漿的參數為：

①頂拱120°范圍內，固結灌漿孔間排距為2 m×2 m、孔位交錯布置，孔深為3～4.5 m(在能成孔的前提下盡可能的造深孔)，灌漿孔上傾角度為30°～45°，前后相鄰兩排在滿足成孔的前提下盡量呈大、小角度交錯布置。

②灌漿漿液暫定為1∶1水泥凈漿。在灌注過程中，結合現(xiàn)場實際情況調整水泥漿液的濃度、添加速凝劑、水玻璃漿液等材料。

③灌漿壓力為0.5～0.6 MPa(嚴禁超壓灌注)，灌漿24 h持續(xù)進行。

3.2 第二階段：塌方體的處理及向前掘進開挖

待第一階段加強支護及固結灌漿完成后再實施第二階段方案。第二階段主要是塌方體的處理及向前掘進開挖，綜合現(xiàn)場實際情況并參照類似工程的塌方處理經驗，總結出1號引水隧洞掌子面樁號2+875塌方處理方案如下：

該方案主要為“塌方堆體反壓、噴素混凝土封閉+塌方空腔回填C20混凝土+C28、L=6 m超前錨桿+I20a型鋼支撐”的聯(lián)合處理措施，具體實施步驟及處理流程如下所述：

(1)堆載預壓、封閉坍塌面：首先對掌子面回填石渣進行反壓，并對反壓后的坍塌巖渣噴15～20 cm厚C25混凝土進行封閉，封閉混凝土同時被作為止?jié){墻。

(2)注漿固結坍塌巖渣：對掌子面坍塌體的石渣進行固結以提高石渣體的自身穩(wěn)定性和強度是隧洞開挖通過塌方體的必要方式，注漿管深入坍塌體石渣內的深度不小于6 m，采用φ42 mm鋼花管，間排距按3 m×3 m布置，注漿漿液采用1∶1水泥凈漿，注漿壓力為0.8～1 MPa，根據現(xiàn)場實際灌注情況調整灌漿壓力和漿液濃度。

(3)對坍塌部位空腔回填混凝土。

①扒除坍塌堆體頂部高度2 m左右范圍內的石渣，觀察頂部塌方空腔的情況，扒除過程中注意觀察頂部掉渣情況，在確認無掉渣情況下再伸入攝像機至孔內觀察頂部塌方空腔情況。

②預埋φ150 mm混凝土泵管?；炷帘霉茉跈M斷面上的布置數量不少于4根，具體應結合現(xiàn)場空腔情況進行增設，同時增加1～2根排氣管，預埋混凝土泵管、排氣管保持一定距離，盡可能地伸入至塌方空腔頂部。

③混凝土泵管、排氣管埋設完成后，對孔口堆載石渣、袋裝水泥進行封堵，在塌方體空腔正下方回填石渣料，以便于后期的拆除，封堵段采用袋裝水泥進行整體封堵，最外端采用鋼板+工字鋼與隧洞鋼拱架連接形成整體。

④泵送混凝土?；炷帘盟陀媱澃凑?～3 m分層進行泵送，分層的控制主要按照空腔的大小預估2～3 m理論混凝土澆筑量進行控制?；炷帘盟洼^為困難時，可調整為水泥砂漿進行泵送。

(4)頂拱空腔混凝土澆筑完成且達到一定強度后拆除堵頭，頂拱120°范圍內施做C28、L=6 m超前錨桿，錨桿環(huán)向間距30 cm，前后兩排搭接長度不小于桿體長度的2/3，超前錨桿可采用錨固劑進行錨固，同時在向前掘進過程中視圍巖情況進行超前小導管注漿以加固巖體。

(5)塌方洞段樁號2+880～2+870段I20a型鋼支撐加密至50 cm；同時，在隧洞掘進掌子面未全部通過塌方洞段時，每向前掘進2 m后布置一組圍巖收斂觀測點，并在適當位置增加錨桿應力計、多點位移計等，及時進行收斂觀測，發(fā)現(xiàn)變形持續(xù)增大、數據異常時，在已施工的鋼支撐腹部再增加一榀I20a型鋼支撐并持續(xù)進行收斂觀測。

(6)當監(jiān)測圍巖收斂觀測數據持續(xù)變形且不收斂時，及時增加小噸位錨索控制圍巖收斂變形。

4 TRT超前地質預報

根據相關資料和現(xiàn)場觀測得知：掌子面附近的巖性為灰白色花崗巖，掌子面右側頂拱發(fā)育一條灰綠巖脈，巖體較破碎，以碎裂結構為主，主要以Ⅳ～V類圍巖為主。超前地質預報范圍為：2+876～2+776，共計100 m。

4.1 預報工作的布置與成果解析方法

TRT的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，具體布置方式見圖3。

圖3 震源和檢波器布置方法圖

TRT成像圖采用的是相對解釋原理，即確定一個背景場，所有解釋相對背景值進行，異常區(qū)域會偏離背景區(qū)域值，根據其偏離與分布的多少解釋隧道前方的地質情況。

(1)判斷圍巖地質情況的原則：

①一般來說，軟件設定圍巖相對背景值破碎、含水區(qū)域呈藍色，相對背景值硬質巖石呈黃色；

②從整體上對成像圖進行解譯，不能單獨參照一個斷面的圖像。

(2)判斷圍巖類別的原則：

①根據異常區(qū)域圖像相對于圍巖背景，從背景波速分析異常的波速差異進而判斷圍巖類別；

②對圍巖類別的判斷必須與地質情況相結合，綜合進行分析。

4.2 地質成果的解譯與分析

(1)地質成果解譯。

①1號引水隧洞三維成像圖見圖4。

圖4 探測結果立體圖

②波速分布圖見圖5。

圖5 探測結果波速示意圖

(2)勘測資料成果分析見表1。通過勘測區(qū)域的地震波反射掃描成像三維圖、P波波速、掌子面地質觀測的信息，可以得出以下結論：

表1 勘測資料成果分析表

5 后續(xù)開挖采用的支護技術措施

掌子面的開挖采用三臺階法開挖。三臺階開挖法是將隧道引水隧洞上半洞斷面分成上、中、下三個臺階進行開挖的施工工法，其中上臺階高度為2 m、中臺階高度為2.5 m、下臺階高度為3.076 m，各臺階施工流程如下：

5.1 上臺階施工

(1)開挖上臺階，上臺階每循環(huán)開挖進尺不大于1 m，上臺階開挖掌子面與中臺階開挖掌子面的最大距離不大于4 m。

(2)每循環(huán)先施作上臺階周邊的初期支護，初期支護主要包括掛鋼筋網、架立I20a型鋼支撐及噴混凝土施工。其施工程序為：先初噴厚3～5 cm的混凝土→再鋪設鋼筋網片→然后人工配合機械架立I20a型鋼支撐(型鋼支撐間距為50 cm)。

(3)受上臺階空間限制，系統(tǒng)錨桿無法施工，因此，在I20a型鋼支撐架設完成后，復噴混凝土至設計厚度。在復噴混凝土的同時，將上臺階頂拱范圍內的系統(tǒng)錨桿點位進行測量放樣并做好標識及預埋。

(4)開挖掘進過程中,根據揭露后圍巖的地質情況、監(jiān)控量測資料及時調整上臺階支護結構形式,必要時在每榀I20a型鋼拱架中間增加豎向支撐以使圍巖支護得到有利的保護和加強，豎向支撐采用I20a型鋼。

5.2 中臺階施工

(1)開挖中臺階在滯后上臺階掌子面2～4 m距離后進行，中臺階每循環(huán)開挖進尺不大于1.5 m，中臺階開挖掌子面與下臺階開挖掌子面的最大距離不大于4 m。

(2)中臺階每循環(huán)開挖完成后及時進行初期支護與上臺階初期支護形成封閉成環(huán)。首先沿中臺階導坑周邊初噴厚3～5 cm的混凝土，再鋪設鋼筋網片,然后人工配合機械架立I20a型鋼支撐與上臺階已架立的型鋼支撐連接成環(huán)。

(3)受上臺階空間限制，系統(tǒng)錨桿仍無法施工。因此，在I20a型鋼支撐架設完成后復噴混凝土至設計厚度。在復噴混凝土的同時，將中臺階邊頂拱范圍內的系統(tǒng)錨桿點位進行測量放樣并做好標識及預埋。

(4)開挖掘進過程中,根據揭露后圍巖的地質情況、監(jiān)控量測資料及上臺階頂拱圍巖收斂變形情況及時調整中臺階支護結構形式,必要時，在每榀I20a型鋼拱架中間增加豎向支撐以使圍巖支護得到有利的保護和加強，豎向支撐采用I20a型鋼。

5.3 下臺階施工

(1)在滯后中臺階2～4 m距離后開挖下臺階，下臺階每循環(huán)開挖進尺不大于2 m；同時，掌子面與上臺階掌子面距離不大于8 m，與中臺階掌子面距離不大于4 m，待每循環(huán)支護完成后方可進行下一循環(huán)的開挖。

(2)下臺階每循環(huán)開挖完成后，及時進行初期支護與中、上臺階初期支護封閉成環(huán)，并及時進行上半洞系統(tǒng)錨桿的施工，即要求先沿下臺階周邊圍巖初噴厚3～5 cm的混凝土，再鋪設鋼筋網片,然后人工配合機械架立I20a型鋼支撐與中臺階已架立的型鋼支撐連接成環(huán)。

(3)下臺階在I20a型鋼支撐架設完成后進行上半洞系統(tǒng)錨桿及復噴混凝土施工，要求系統(tǒng)錨桿按設計圖紙參數進行施工，在系統(tǒng)錨桿及噴混凝土未完成前嚴禁進行下一循環(huán)的開挖施工。

(4)在隧洞掘進掌子面未全部通過塌方洞段時，每掘進2 m要求布置一組圍巖收斂觀測點，并及時進行收斂觀測，以確保施工安全。

6 結 語

對于該塌方段的處理，第一階段采用的是加強支護及灌漿，第二階段采用的是塌方體處理及向前掘進處理方案。其可靠性較高、安全有保證，確保了塌方段安全、順利通過，實現(xiàn)了大斷面引水隧洞穿越不良地質段的快速掘進，在實際應用施工中取得了顯著效果。通過該隧洞工程在塌方段施工中采取的技術措施得出了以下結論：

(1)隧洞塌方治理方案中采用分臺階短開挖、強支護的方法能夠限制軟弱破碎圍巖變形的自由發(fā)展，減小了施工安全風險，對預防該段發(fā)生二次塌方起到了關鍵性作用。

(2)施工過程中，應探索適合不同地質條件的開挖支護參數和施工程序，加強安全監(jiān)測，及時分析量測數據、反饋信息用以指導施工，適時加強支護，將塌方發(fā)生的可能性降至最低。

(3)通過實例應用發(fā)現(xiàn)：采用TRT超前地質預報的探測方法，分析、研究塌方體等不良地質體形態(tài)是成功的，可以有效探明塌方掌子面后續(xù)開挖的巖體狀態(tài)，為制定后續(xù)處理方案提供有效的基礎資料。