大斷面引水隧洞塌方處理技術(shù)研究與實(shí)踐
——以硬梁包水電站引水隧洞為例

嚴(yán) 厚 治， 周 正 清

(中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

在水工隧洞建設(shè)過程中，塌方是一種主要的施工災(zāi)害，尤其是在巖體蝕變帶修建大斷面水工隧洞時(shí)更容易發(fā)生規(guī)模較大的塌方且處理困難、處理代價(jià)高。處理塌方一方面將造成經(jīng)濟(jì)損失，另一方面將嚴(yán)重影響到隧洞的建設(shè)工期。隧洞塌方處理方案不當(dāng)亦會產(chǎn)生后果嚴(yán)重的次生災(zāi)害或給隧洞未來的運(yùn)營埋下隱患。筆者結(jié)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(shí)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(nèi)的大渡河干流上。工程規(guī)模為2等大(2)型，電站裝機(jī)4臺，總裝機(jī)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(diào)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(shè)置了5個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)，轉(zhuǎn)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(nèi)徑為13.1 m，進(jìn)水口底高程為1 215 m，末端調(diào)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(jìn)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(jī)錨桿、掛網(wǎng)、架設(shè)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(jìn)行封閉，待巖體穩(wěn)定后再掛鋼筋、架設(shè)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(jìn)行支護(hù)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(dǎo)致塌方連鎖反應(yīng)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(shè)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(jié)合現(xiàn)場實(shí)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(jù)1號引水隧洞樁號2+888～2+868段地質(zhì)預(yù)報(bào)所述，1號引水隧洞開挖至樁號2+890處揭示的地質(zhì)條件為：巖性為灰白色花崗巖，掌子面右側(cè)頂拱發(fā)育一條輝綠巖脈，產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)為主，局部呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，潮濕、散狀滴水，主要為Ⅳ類巖體。預(yù)測樁號2+888～2+868段圍巖以花崗巖為主，巖體結(jié)構(gòu)主要為碎裂結(jié)構(gòu)，局部呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，以C類蝕變?yōu)橹?，局部為D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(zhì)預(yù)報(bào)基本吻合。為確保施工安全，對樁號2+880～2+875段進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，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(qiáng)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(dǎo)致塌方連鎖反應(yīng)，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(zhì)性塌方。

3 塌方處理采用的技術(shù)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(jīng)過多次討論研究，確定了兩階段處理方案。第一階段為加強(qiáng)支護(hù)及灌漿階段；第二階段為塌方體處理及向前掘進(jìn)階段。具體如下：

3.1 第一階段：加強(qiáng)支護(hù)及灌漿

(1)對塌方體掌子面附近實(shí)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(jìn)行孔內(nèi)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(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果及時(shí)對塌方體坡腳進(jìn)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(diǎn)，圍巖收斂觀測點(diǎn)按照2 m距離進(jìn)行布設(shè)，每個(gè)樁號斷面布置3個(gè)測點(diǎn)，拱頂布置1個(gè)，兩側(cè)自上層開挖底板以上4 m位置各布置1個(gè)，圍巖收斂監(jiān)測布點(diǎn)情況見圖2。

圖2 圍巖收斂監(jiān)測布點(diǎn)圖

(3)對已布置的圍巖收斂斷面測點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行觀測，并對樁號2+875～2+913段已噴混凝土支護(hù)表層進(jìn)行觀察、統(tǒng)計(jì)，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(guān)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(jī)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(gè)排水孔深度按照不小于3 m進(jìn)行控制。

(5)對塌方體掌子面一定范圍內(nèi)進(jìn)行固結(jié)灌漿，自樁號2+888斷面處依次向塌方掌子面進(jìn)行灌注，固結(jié)灌漿的參數(shù)為：

①頂拱120°范圍內(nèi)，固結(jié)灌漿孔間排距為2 m×2 m、孔位交錯(cuò)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(cuò)布置。

②灌漿漿液暫定為1∶1水泥凈漿。在灌注過程中，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)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(yán)禁超壓灌注)，灌漿24 h持續(xù)進(jìn)行。

3.2 第二階段：塌方體的處理及向前掘進(jìn)開挖

待第一階段加強(qiáng)支護(hù)及固結(jié)灌漿完成后再實(shí)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(jìn)開挖，綜合現(xiàn)場實(shí)際情況并參照類似工程的塌方處理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)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(shí)施步驟及處理流程如下所述：

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

(2)注漿固結(jié)坍塌巖渣：對掌子面坍塌體的石渣進(jìn)行固結(jié)以提高石渣體的自身穩(wěn)定性和強(qiáng)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(nèi)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(jù)現(xiàn)場實(shí)際灌注情況調(diào)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(nèi)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(rèn)無掉渣情況下再伸入攝像機(jī)至孔內(nèi)觀察頂部塌方空腔情況。

②預(yù)埋φ150 mm混凝土泵管。混凝土泵管在橫斷面上的布置數(shù)量不少于4根，具體應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場空腔情況進(jìn)行增設(shè)，同時(shí)增加1～2根排氣管，預(yù)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(shè)完成后，對孔口堆載石渣、袋裝水泥進(jìn)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(jìn)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?jì)劃按照2～3 m分層進(jìn)行泵送，分層的控制主要按照空腔的大小預(yù)估2～3 m理論混凝土澆筑量進(jìn)行控制?；炷帘盟洼^為困難時(shí)，可調(diào)整為水泥砂漿進(jìn)行泵送。

(4)頂拱空腔混凝土澆筑完成且達(dá)到一定強(qiáng)度后拆除堵頭，頂拱120°范圍內(nèi)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(jìn)行錨固，同時(shí)在向前掘進(jìn)過程中視圍巖情況進(jìn)行超前小導(dǎo)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(shí)，在隧洞掘進(jìn)掌子面未全部通過塌方洞段時(shí)，每向前掘進(jìn)2 m后布置一組圍巖收斂觀測點(diǎn)，并在適當(dāng)位置增加錨桿應(yīng)力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)等，及時(shí)進(jìn)行收斂觀測，發(fā)現(xiàn)變形持續(xù)增大、數(shù)據(jù)異常時(shí)，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(jìn)行收斂觀測。

(6)當(dāng)監(jiān)測圍巖收斂觀測數(shù)據(jù)持續(xù)變形且不收斂時(shí)，及時(shí)增加小噸位錨索控制圍巖收斂變形。

4 TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

根據(jù)相關(guān)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(cè)頂拱發(fā)育一條灰綠巖脈，巖體較破碎，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，主要以Ⅳ～V類圍巖為主。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍為：2+876～2+776，共計(jì)100 m。

4.1 預(yù)報(bào)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(gè)背景場，所有解釋相對背景值進(jìn)行，異常區(qū)域會偏離背景區(qū)域值，根據(jù)其偏離與分布的多少解釋隧道前方的地質(zhì)情況。

(1)判斷圍巖地質(zhì)情況的原則：

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

②從整體上對成像圖進(jìn)行解譯，不能單獨(dú)參照一個(gè)斷面的圖像。

(2)判斷圍巖類別的原則：

①根據(jù)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(jìn)而判斷圍巖類別；

②對圍巖類別的判斷必須與地質(zhì)情況相結(jié)合，綜合進(jìn)行分析。

4.2 地質(zhì)成果的解譯與分析

(1)地質(zhì)成果解譯。

①1號引水隧洞三維成像圖見圖4。

圖4 探測結(jié)果立體圖

②波速分布圖見圖5。

圖5 探測結(jié)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(zhì)觀測的信息，可以得出以下結(jié)論：

表1 勘測資料成果分析表

5 后續(xù)開挖采用的支護(hù)技術(shù)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(gè)臺階進(jìn)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(jìn)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(hù)，初期支護(hù)主要包括掛鋼筋網(wǎng)、架立I20a型鋼支撐及噴混凝土施工。其施工程序?yàn)椋合瘸鯂姾?～5 cm的混凝土→再鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片→然后人工配合機(jī)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(shè)完成后，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。在復(fù)噴混凝土的同時(shí)，將上臺階頂拱范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿點(diǎn)位進(jìn)行測量放樣并做好標(biāo)識及預(yù)埋。

(4)開挖掘進(jìn)過程中,根據(jù)揭露后圍巖的地質(zhì)情況、監(jiān)控量測資料及時(shí)調(diào)整上臺階支護(hù)結(jié)構(gòu)形式,必要時(shí)在每榀I20a型鋼拱架中間增加豎向支撐以使圍巖支護(hù)得到有利的保護(hù)和加強(qiáng)，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(jìn)行，中臺階每循環(huán)開挖進(jìn)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(shí)進(jìn)行初期支護(hù)與上臺階初期支護(hù)形成封閉成環(huán)。首先沿中臺階導(dǎo)坑周邊初噴厚3～5 cm的混凝土，再鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片,然后人工配合機(jī)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(shè)完成后復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。在復(fù)噴混凝土的同時(shí)，將中臺階邊頂拱范圍內(nèi)的系統(tǒng)錨桿點(diǎn)位進(jìn)行測量放樣并做好標(biāo)識及預(yù)埋。

(4)開挖掘進(jìn)過程中,根據(jù)揭露后圍巖的地質(zhì)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(shí)調(diào)整中臺階支護(hù)結(jié)構(gòu)形式,必要時(shí)，在每榀I20a型鋼拱架中間增加豎向支撐以使圍巖支護(hù)得到有利的保護(hù)和加強(qiáng)，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(jìn)尺不大于2 m；同時(shí)，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(hù)完成后方可進(jìn)行下一循環(huán)的開挖。

(2)下臺階每循環(huán)開挖完成后，及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)與中、上臺階初期支護(hù)封閉成環(huán)，并及時(shí)進(jìn)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(shè)鋼筋網(wǎng)片,然后人工配合機(jī)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(shè)完成后進(jìn)行上半洞系統(tǒng)錨桿及復(fù)噴混凝土施工，要求系統(tǒng)錨桿按設(shè)計(jì)圖紙參數(shù)進(jìn)行施工，在系統(tǒng)錨桿及噴混凝土未完成前嚴(yán)禁進(jìn)行下一循環(huán)的開挖施工。

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

6 結(jié) 語

對于該塌方段的處理，第一階段采用的是加強(qiáng)支護(hù)及灌漿，第二階段采用的是塌方體處理及向前掘進(jìn)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(shí)現(xiàn)了大斷面引水隧洞穿越不良地質(zhì)段的快速掘進(jìn)，在實(shí)際應(yīng)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(shù)措施得出了以下結(jié)論：

(1)隧洞塌方治理方案中采用分臺階短開挖、強(qiáng)支護(hù)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(fēng)險(xiǎn)，對預(yù)防該段發(fā)生二次塌方起到了關(guān)鍵性作用。

(2)施工過程中，應(yīng)探索適合不同地質(zhì)條件的開挖支護(hù)參數(shù)和施工程序，加強(qiáng)安全監(jiān)測，及時(shí)分析量測數(shù)據(jù)、反饋信息用以指導(dǎo)施工，適時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，將塌方發(fā)生的可能性降至最低。

(3)通過實(shí)例應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：采用TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測方法，分析、研究塌方體等不良地質(zhì)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(chǔ)資料。