丹 增，劉 杉，馮云龍，達娃索朗

(1.西藏自治區(qū)拉洛水利樞紐及灌區(qū)管理局，西藏 拉薩 850000； 2.江蘇科興項目管理有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引 言

復雜地質(zhì)條件下的隧洞開挖及支護施工難度大，施工過程中可能遇到圍巖大變形、塌方等突發(fā)情況，對施工進度和安全影響較大，尤其是西藏、新疆等高寒高海拔地區(qū)的軟巖長隧洞，因寒冷缺氧的氣候環(huán)境影響，其施工受到限制。目前國內(nèi)外對隧洞變形及塌方處理方案進行了研究。王振棟[1]依托貴州大獨山隧道，對自進式小管棚在大斷面深埋軟巖隧道的工程應用進行研究。趙殿國[2]依托雅康高速公路小馬廠隧道塌方工程，對其反復塌方問題進行了分析并提出了針對性解決方案。楊鵬[3]對江西省資溪縣佛頭嶺隧道涌水塌方處理進行了研究，分析了軟巖塌方的成因，總結(jié)了其支護措施。崔玉龍[4]對隧道松散塌方體進行了注漿加固試驗研究，分析了漿液在地層中的注漿機理，指出水泥漿液在松散塌方體中的流動方式主要是滲透注漿。甘小江分析了大斷面隧道貫通段塌方原因，研究了隧洞塌方應對措施[5]。不同地質(zhì)情況下采用的支護技術(shù)有所差異。在軟巖隧洞的施工支護中，變形及塌方處理可以根據(jù)現(xiàn)場情況，通過改變圍巖情況、拱架布置密度、變更錨桿直徑、縮小剛支撐間距等方式提高支護結(jié)構(gòu)的強度。專門針對高寒高海拔地區(qū)軟巖長隧洞變形及塌方處理的研究并不多。本文以西藏拉洛水利樞紐工程德羅引水隧洞為例，研究了此類工程施工問題的有效應對措施，對于確保工程的進度與安全具有重要意義。

1 工程概況

西藏拉洛水利樞紐工程德羅引水隧洞進水口位于拉洛水利樞紐壩軸線上游約6.2 km處，隧洞全長7 520.76 m，隧洞平均海拔高度為4 280 m，斷面為馬蹄形；采用無壓引水，開挖斷面為5.00 m×4.50 m，襯砌后斷面為4.30 m×4.05 m，隧洞最大埋深213 m。

隧洞圍巖主要為J2z，J1r鈣質(zhì)頁巖，含泥質(zhì)、炭質(zhì)，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細晶灰?guī)r。德羅引水隧洞圍巖的巖性較軟弱，遇水易軟化；部分洞段有基巖裂隙水滲出(浸潤性滲出為主，局部有線狀滴水)。開挖洞段由Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅴ類圍巖組成，以Ⅳ2類為主，Ⅳ1類圍巖36.41%、Ⅳ2類圍巖62.57%、Ⅴ類圍巖1.03%。設(shè)計初期支護為錨噴支護及局部超前錨桿、鋼拱架支護；隧洞開挖采用全斷面鉆爆開挖方法。德羅引水隧洞共設(shè)計有3條施工支洞，1條交通洞。

由于隧洞所在位置海拔高，全年大部分時間處于低氣溫環(huán)境，晝夜溫差大，最低氣溫為-36 ℃，高寒缺氧，氣候條件惡劣，人員、機械、設(shè)備效率低，對施工進度及安全有較大影響。

2 變形及塌方概況與成因分析

2.1 變形及塌方概況

隧洞開挖過程中按照設(shè)計要求進行了排水孔、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐、噴射混凝土等支護方案處理。隨著施工的進行，在隧洞即將貫通或襯砌初期，已進行初期支護的洞段陸續(xù)發(fā)生了多處變形和塌方現(xiàn)象，拱頂、拱腰出現(xiàn)了不同程度的大變形災害特征。主要表現(xiàn)為初期支護混凝土開裂、拱頂?shù)魤K、局部鼓脹，拱腰、邊墻部位出現(xiàn)鋼支撐變形，且存在以下6種工程問題類型：無鋼支撐支護的變形、有鋼支撐支護的變形、無鋼支撐非全斷面堵塞塌方、有鋼支撐非全斷面堵塞塌方、有鋼支撐全斷面堵塞(圖1)、有鋼支撐全斷面堵塞(二次塌方)。

圖1 有鋼支撐全斷面堵塞洞段Fig.1 Full section blocked tunnel section with steel support

2.2 變形及塌方成因分析

德羅引水隧洞變形及塌方的成因和作用機理分析如下。

(1) 圍巖強度低。德羅引水隧洞圍巖主要為J2z，J1r鈣質(zhì)頁巖和含泥質(zhì)、炭質(zhì)頁巖，夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細晶灰?guī)r，抗壓強度低，為軟巖。這是影響隧洞圍巖類別和成洞條件的主要因素。

(2) 裂隙水賦存。在開挖過程中，完整的泥質(zhì)頁巖一般具微-弱透水性，局部起相對隔水作用，圍巖排水不暢，導致外水壓力偏高。隧洞經(jīng)開挖后，形成局部的地下水排泄基準面，使具有一定外水壓力的地下水通過隧洞周邊的裂隙向隧洞方向滲透，圍巖中的地下水也容易在松動圈巖體裂隙中賦存，并逐漸使洞壁周邊巖體處于濕潤飽和狀態(tài)，這與在檢查時發(fā)現(xiàn)的較多變形及塌方洞段的基巖裂隙水滲出現(xiàn)象相符。

(3) 圍巖軟化失穩(wěn)。雖然開挖完成后及時進行了初期支護，但受到應力松弛及地下水滲透浸潤的影響，山體及洞周的地下水朝開挖巖石面方向逐步浸潤、聚集、飽和，導致圍巖軟化失穩(wěn)。隨著時間的積累，圍巖強度降低，圍巖軟化失穩(wěn)后向內(nèi)擠壓，導致支護完成一段時間后的多處洞段出現(xiàn)不同程度的變形或塌方，這是上述多處洞段圍巖在初期(臨時)支護后產(chǎn)生局部或全斷面變形和塌方的根本性因素。此類圍巖因變形較快，突發(fā)性強。

從開挖支護過程分析，在開挖支護完成初期，地下水滲水并不明顯，所以采取集中引排的方式，但未明確引排布置點，排水效果不明顯。由于泥質(zhì)頁巖的相對阻水效應，滲水有一定滯后特征，在隧洞開挖前及開挖過程中難以發(fā)現(xiàn)；至塌方時，存在泥質(zhì)頁巖或炭質(zhì)頁巖普遍軟化的現(xiàn)象，這與泥質(zhì)頁巖本身的弱透水性和泥質(zhì)頁巖中地下水賦存和浸潤性滲出特點有關(guān)。

由于泥質(zhì)頁巖滲透性弱、阻水性強、遇水軟化快，在隧洞即將貫通或襯砌初期，多處已進行初期支護的洞段出現(xiàn)了變形和塌方現(xiàn)象，這與泥質(zhì)頁巖地質(zhì)特征相符。

根據(jù)以上變形和塌方原因分析，變形或塌方洞段都存在不同程度的地下水逐步浸潤頁巖圍巖后發(fā)生軟化失穩(wěn)的情況，在開挖和初期支護階段難以發(fā)現(xiàn)。

3 變形及塌方處理施工難點

德羅引水隧洞變形及塌方處理存在以下3個方面的施工難點。

(1) 塌方體結(jié)構(gòu)松散，支護和清挖難度大。塌方體整體結(jié)構(gòu)松散，部分已經(jīng)泥化，錨桿、管棚和小導管等施工時成孔非常困難，效率極低；因泥質(zhì)頁巖特性，注漿漿液滲透性差，固結(jié)效果不佳，清挖時仍有掉塊和局部坍塌現(xiàn)象，施工難度大。

(2) 施工過程伴隨繼續(xù)坍塌，作業(yè)危險性高。施工過程中，因管棚等支護措施控制范圍有限，掌子面前方仍在繼續(xù)坍塌；因裂隙水持續(xù)作用，變形和塌方段在鋼支撐拆除過程中存在頻繁的掉塊、坍塌現(xiàn)象，人工作業(yè)危險性高。

(3) 軸線長、洞徑小，施工組織難度大。德羅隧洞洞徑小，大型設(shè)備無法進洞作業(yè)，塌方區(qū)域作業(yè)面狹小，作業(yè)效率低。軸線長、洞徑小、作業(yè)面狹窄等因素制約了施工進度，加之洞內(nèi)不可避免的交叉作業(yè)，現(xiàn)場施工組織難度大。

4 變形及塌方處理技術(shù)方案

4.1 解決思路

變形及塌方處理遵循“排水釋能降壓，注漿加固，超前支護穩(wěn)定工作面，短進尺開挖，跟進支護”的原則。主要處理思路如下。

(1) 超前支護。為穩(wěn)定工作面、確保施工安全，對變形及塌方體的圍巖進行超前支護；對于根部變形及塌方情況，采用超前自進式中空錨桿、超前自進式小導管注漿及超前排水孔等處理措施，實現(xiàn)對圍巖變形的控制。

(2) 提高圍巖自承載能力。為了防止圍巖持續(xù)變形侵蝕支護斷面，通過徑向圍巖注漿、系統(tǒng)錨桿、隨機錨桿、排水孔等處理措施改善圍巖狀況，提高圍巖自承載能力。

(3) 柔性支護。為防止圍巖暴露在空氣中持續(xù)風化，應通過鋼筋網(wǎng)以及噴射混凝土等措施封閉圍巖。柔性支護整體面積較大且均一，能夠解決圍巖直接接觸剛性支護后因受力點少而產(chǎn)生局部大變形的問題。

(4) 剛性支護。為防止圍巖整體向臨空面變形或塌方，應采用鋼支撐結(jié)構(gòu)。為了提高鋼支撐的剛度，對鋼支撐系統(tǒng)進行了改良，比如：提高鋼支撐型號，從材料本身剛度改良；增加連接鋼筋，部分區(qū)域以工字鋼代替連接筋，使鋼支撐形成鋼支撐系統(tǒng)，從整體上阻擋圍巖變形；增加混凝土護腳，采用預留底板保護層的方式，使支撐結(jié)構(gòu)及時閉合成環(huán)，提供穩(wěn)定的環(huán)向受力系統(tǒng)。

根據(jù)以上解決思路，通過分析變形及塌方情況特點，對德羅隧洞施工難點實施有針對性的施工工藝組合，從而形成了系統(tǒng)的變形及塌方處理方案。

4.2 處理技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外目前變形及塌方處理研究，結(jié)合德羅隧洞的特點，針對不同類型的圍巖變形和塌方問題，制定了適用性較強的技術(shù)方案。變形及塌方處理工藝見表1，相應施工參數(shù)見表2。

表1 變形及塌方處理工藝Tab.1 Deformation and collapse treatment processes

表2 變形及塌方處理工序施工參數(shù)Tab.2 Parameters of deformation and collapse treatment process

4.3 專項處理措施

4.3.1 鋼支撐拱腳穩(wěn)定控制措施

在變形及塌方部位，鋼支撐的底部圍巖因長期受地下水侵蝕，承載力和剛性不足，出現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性降低、變形增大甚至鋼支撐下沉現(xiàn)象。對此，采用了鎖腳錨桿+鋼墊板+拱腳混凝土護腳的處理措施。拱腳鋼支撐底板焊接10 cm×10 cm鋼板增加鋼支撐拱腳的受力面積?；炷磷o腳有較大的剛性，護腳工程量小，施工速度快，且能夠為鋼支撐提供較大的橫向阻力。

4.3.2 地下水控制措施

變形及塌方處理采用自動控制、多級抽排地下水控制措施，確保有序排水，具體如下。

(1) 掌子面降水措施。每次塌方處理結(jié)束后，及時觀察掌子面情況，如出現(xiàn)流水及滲水情況則增加掌子面排水管，將水引排至底板處，并隨時注意水量變化情況，及時預警。

(2) 圍巖排水措施。混凝土第一次噴混完成后即設(shè)置排水管，排水管設(shè)梅花形排水孔，端頭以無紡布包裹。滴水現(xiàn)象較明顯部位或水流較大部位設(shè)置環(huán)向排水管并引流至底板部位的排水溝中。環(huán)向排水管上部設(shè)置梅花形進水孔，每4～10 m一道，采用錨栓固定，間距視情況而定，適當加密環(huán)向盲管。為確保初期支護多余滲水的引排，在隧洞兩側(cè)表面施作縱向排水溝。

(3) 降水及集水措施。因頁巖泥化后容易堵塞集水及排水設(shè)施，按照常規(guī)的方法設(shè)置降水設(shè)施時經(jīng)常出現(xiàn)堵塞的情況，需進行不間斷的檢查及清理。因此，在靠近施工作業(yè)面附近設(shè)置降水井及輸水通道，井內(nèi)下部設(shè)置排水層，上部設(shè)置反濾層，輸水通道設(shè)置排水層至附近集水井，有效避免了巖石泥化及施工面產(chǎn)生的巖泥順水流至集水井。

(4) 縱向抽排水措施。采用自動控制、多級抽排的排水方式排水。

4.3.3 通風供氧措施

德羅隧洞變形及塌方段通風距離長，通風效果的好壞對施工進度有很大影響。變形塌方處理時，具有洞內(nèi)通風供氧處理量較集中、施工強度大、施工干擾嚴重的問題，巖體鑿除、噴射混凝土、鉆孔、焊接等過程均會產(chǎn)生大量粉塵等有害物質(zhì)，且必須在短時間內(nèi)排出。

基于上述難點，現(xiàn)場施工時采用了靈活通風、加強有害氣體檢測的措施，并采用高壓氧艙應急供氧結(jié)合集中點供氧與單體攜氧的方式進行供氧系統(tǒng)布置。

4.4 變形及塌方處理效果

4.4.1 加固機理分析

采用的超前錨桿支護方式有效確保了變形及塌方處理的安全性。由于該工程的變形及塌方基本是在初期支護后產(chǎn)生，因此超前錨桿支護為原支護損壞拱架的拆除及斷面擴挖提供了有力的安全保障。超前錨桿分別靈活采用了普通砂漿錨桿、自進式中空錨桿、孔壁開孔小導管，有效應對了不同變形塌方類型的受力特點和鉆孔難易問題，在確保了施工安全和質(zhì)量的同時保證了施工進度。

針對不同變形及塌方類型，有針對性地采用不同型號的鋼支撐，增加鋼支撐型號，提高鋼支撐承載力和剛度。針對德羅引水隧洞圍巖遇水易軟化的特點，采用鋼墊板結(jié)合混凝土護腳的措施，有效穩(wěn)固拱腳和傳遞圍巖變形力，確保了整個支撐體系的穩(wěn)固。

采用快速噴混凝土的方式實現(xiàn)對塌方處理后圍巖的快速封閉，減少圍巖暴露時間；同時處理過程中布置縱橫向排水管道，有序排水，以達到釋能減壓目的，有效確保變形塌方處理的穩(wěn)定性和安全性。

4.4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

為掌握變形塌方的處理質(zhì)量、分析變形及塌方處理的圍巖穩(wěn)定性，在處理過程中，為塌方部位處理后的斷面安裝監(jiān)測儀器，對其斷面變形量、鋼筋應力、滲壓水位等數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對塌方處理后的實際處理效果進行判斷。

德羅引水隧洞變形及塌方段共安裝變形監(jiān)測儀器測縫計9支、基巖變形計9支，應力應變監(jiān)測儀器鋼筋計9支，滲流滲壓監(jiān)測儀器滲壓計9支。塌方段測縫計所測縫開合度在-0.23～0.23 mm之間，圍巖變形在-0.79～0.12 mm之間(圖2)，各測點開合度及淺層圍巖變形目前呈穩(wěn)定狀態(tài)，鋼筋應力在-65.25～17.86 MPa之間，鋼筋應力整體呈穩(wěn)定態(tài)勢。德羅引水隧洞塌方段滲壓計滲壓值為0.006～0.137 MPa，滲壓水位變化均在正常范圍內(nèi)。

圖2 塌方段圍巖變形-時間過程曲線Fig.2 Deformation-time curve of surrounding rock in collapse section

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)，變形量、鋼筋應力變化等值均在允許范圍之內(nèi)，變形塌方處理效果良好。

5 結(jié) 語

通過分析德羅引水隧洞變形及塌方的特點，對傳統(tǒng)技術(shù)加以優(yōu)化并組合，形成了“超前支護+剛性+柔性支護+有序排水”的變形及塌方處理技術(shù)。該工藝技術(shù)有效解決了高寒高海拔地區(qū)軟巖長引水隧洞變形及塌方突發(fā)性強、施工難度大、危險性高的施工難點，有效保證了施工進度和安全，取得了較好的處理效果。此套工藝技術(shù)適用于高寒高海拔地區(qū)深埋軟巖長隧洞變形及塌方施工處理，可為類似工程借鑒。