严 厚 治， 周 正 清

(中国安能集团第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

在水工隧洞建设过程中，塌方是一种主要的施工灾害，尤其是在岩体蚀变带修建大断面水工隧洞时更容易发生规模较大的塌方且处理困难、处理代价高。处理塌方一方面将造成经济损失，另一方面将严重影响到隧洞的建设工期。隧洞塌方处理方案不当亦会产生后果严重的次生灾害或给隧洞未来的运营埋下隐患。笔者结合硬梁包水电站引水隧洞大断面洞室塌方的处理，分析了塌方原因，提出了塌方处理的基本原则及处理方案并附付诸实施，取得了较好的效果。

硬梁包水电站位于四川省甘孜藏族自治州泸定县冷碛镇境内的大渡河干流上。工程规模为2等大(2)型，电站装机4台，总装机容量为108万kW，采用混凝土闸和面板堆石坝+左岸引水系统+地下厂房的枢纽总布置方案。引水系统建筑物包括引水隧洞、调压室、压力管道等。

引水隧洞为两条平行布置的隧洞，引水隧洞在平面布置上共设置了5个转弯点，转弯半径为200 m或80 m，1号、2号引水隧洞两洞中心间距为60 m，内径为13.1 m，进水口底高程为1 215 m，末端调压室处隧洞底高程为1 198 m,纵坡分别为i1=0.001 192、i2=0.001 183，洞长分别为14 316.909 m、14 420.679 m。

引水隧洞1号施工支洞、2号施工支洞控制段主洞桩号范围为0+050～3+995，工程施工完毕对2条施工支洞均进行了封堵处理。

2 塌方的基本情况

2.1 塌方体

2020年7月22日22∶10，2号施工支洞控制段1号引水隧洞上游面桩号2+878掌子面爆破后围岩揭露辉绿岩体蚀变，岩体较破碎～破碎，自稳能力差，地下水较丰富，呈线性流水。次日凌晨2∶55陆续对掌子面喷混凝土、施工随机锚杆、挂网、架设钢支撑等，7月24日10∶30，掌子面开始出现小范围坍塌，随即对掌子面喷钢纤维混凝土进行封闭，待岩体稳定后再挂钢筋、架设钢支撑。由于岩体极不稳定，加上岩层裂隙水不断渗漏加剧了岩体的失稳和塌落，在进行支护过程中多次出现小范围掉块、掉渣等现象，至8月1日凌晨掌子面再次出现掉渣、掉块现象，喷射钢纤维混凝土已无法稳定掌子面，以致拱顶塌方范围持续增大形成临空自由面，导致塌方连锁反应形成较大的空腔，至8月1日下午13∶50，塌方部位掌子面已全部被覆盖。为保证施工安全，将人员、设备撤离至安全区域，塌方体稳定后，测量塌方堆体坡顶桩号2+877.9、坡脚桩号2+887.1，塌方堆体高度为7.62 m，结合现场实际情况，初步推算塌方体方量约为300 m3，掌子面塌方影像如图1所示。

图1 掌子面塌方影像

2.2 塌方原因初步分析

根据1号引水隧洞桩号2+888～2+868段地质预报所述，1号引水隧洞开挖至桩号2+890处揭示的地质条件为：岩性为灰白色花岗岩，掌子面右侧顶拱发育一条辉绿岩脉，产状SN/E∠50°，宽1.5 m，未揭穿，绿帘石蚀变使得沿该岩脉间歇性掉块，小断层f1产状为SN/E∠25°，宽5 cm；裂隙密集发育，岩体以中等硬度为主，局部高岭土蚀变，岩体自稳能力差，岩体较破碎，以碎裂结构为主，局部呈镶嵌结构，潮湿、散状滴水，主要为Ⅳ类岩体。预测桩号2+888～2+868段围岩以花岗岩为主，岩体结构主要为碎裂结构，局部呈镶嵌结构，以C类蚀变为主，局部为D类蚀变，地下水呈线性流水，以Ⅳ类围岩为主，围岩稳定性差～极差。

掌子面开挖至2+880，围岩揭露情况与地质预报基本吻合。为确保施工安全，对桩号2+880～2+875段进行了加强支护，并新增I20a型钢支撑，间距1 m，掌子面开挖至桩号2+878围岩揭露显示：掌子面顶拱部位大部分为辉绿岩体蚀变，岩体松散、岩石强度较低，裂隙极为发育，自稳性极差，岩层裂隙水不断渗漏加剧了岩体的失稳和塌落，处理过程中的持续塌方形成临空自由面，导致塌方连锁反应，喷射钢纤维混凝土无法稳定，形成了较大的塌方空腔。综上所述：此次塌方主要为辉绿岩蚀变岩脉引起的地质性塌方。

3 塌方处理采用的技术措施

针对2号施工支洞控制段1号引水隧洞上游面塌方体，经过多次讨论研究，确定了两阶段处理方案。第一阶段为加强支护及灌浆阶段；第二阶段为塌方体处理及向前掘进阶段。具体如下：

3.1 第一阶段：加强支护及灌浆

(1)对塌方体掌子面附近实施物探钻孔以检测围岩松弛情况，布置在桩号2+892处；在拱腰、拱顶分别布置物探孔进行孔内电视、声波测试围岩松动圈范围，物探孔采用多臂钻钻孔，钻孔孔径为φ130 mm，孔深6 m，结合现场监测结果及时对塌方体坡脚进行堆载反压。

(2)对1号引水隧洞桩号2+875～2+913段加密布置围岩收敛观测点，围岩收敛观测点按照2 m距离进行布设，每个桩号断面布置3个测点，拱顶布置1个，两侧自上层开挖底板以上4 m位置各布置1个，围岩收敛监测布点情况见图2。

图2 围岩收敛监测布点图

(3)对已布置的围岩收敛断面测点及时进行观测，并对桩号2+875～2+913段已喷混凝土支护表层进行观察、统计，查明出现喷混凝土脱落、表面裂缝等变形情况的部位并做好过程的监测以及相关资料的收集。

(4)在1号引水隧洞桩号2+875～2+913洞段渗水较大部位随机增加排水孔，以利于裂隙水的排放，减少顶拱范围围岩的外水压力，排水孔孔径为φ50 mm，单个排水孔深度按照不小于3 m进行控制。

(5)对塌方体掌子面一定范围内进行固结灌浆，自桩号2+888断面处依次向塌方掌子面进行灌注，固结灌浆的参数为：

①顶拱120°范围内，固结灌浆孔间排距为2 m×2 m、孔位交错布置，孔深为3～4.5 m(在能成孔的前提下尽可能的造深孔)，灌浆孔上倾角度为30°～45°，前后相邻两排在满足成孔的前提下尽量呈大、小角度交错布置。

②灌浆浆液暂定为1∶1水泥净浆。在灌注过程中，结合现场实际情况调整水泥浆液的浓度、添加速凝剂、水玻璃浆液等材料。

③灌浆压力为0.5～0.6 MPa(严禁超压灌注)，灌浆24 h持续进行。

3.2 第二阶段：塌方体的处理及向前掘进开挖

待第一阶段加强支护及固结灌浆完成后再实施第二阶段方案。第二阶段主要是塌方体的处理及向前掘进开挖，综合现场实际情况并参照类似工程的塌方处理经验，总结出1号引水隧洞掌子面桩号2+875塌方处理方案如下：

该方案主要为“塌方堆体反压、喷素混凝土封闭+塌方空腔回填C20混凝土+C28、L=6 m超前锚杆+I20a型钢支撑”的联合处理措施，具体实施步骤及处理流程如下所述：

(1)堆载预压、封闭坍塌面：首先对掌子面回填石渣进行反压，并对反压后的坍塌岩渣喷15～20 cm厚C25混凝土进行封闭，封闭混凝土同时被作为止浆墙。

(2)注浆固结坍塌岩渣：对掌子面坍塌体的石渣进行固结以提高石渣体的自身稳定性和强度是隧洞开挖通过塌方体的必要方式，注浆管深入坍塌体石渣内的深度不小于6 m，采用φ42 mm钢花管，间排距按3 m×3 m布置，注浆浆液采用1∶1水泥净浆，注浆压力为0.8～1 MPa，根据现场实际灌注情况调整灌浆压力和浆液浓度。

(3)对坍塌部位空腔回填混凝土。

①扒除坍塌堆体顶部高度2 m左右范围内的石渣，观察顶部塌方空腔的情况，扒除过程中注意观察顶部掉渣情况，在确认无掉渣情况下再伸入摄像机至孔内观察顶部塌方空腔情况。

②预埋φ150 mm混凝土泵管。混凝土泵管在横断面上的布置数量不少于4根，具体应结合现场空腔情况进行增设，同时增加1～2根排气管，预埋混凝土泵管、排气管保持一定距离，尽可能地伸入至塌方空腔顶部。

③混凝土泵管、排气管埋设完成后，对孔口堆载石渣、袋装水泥进行封堵，在塌方体空腔正下方回填石渣料，以便于后期的拆除，封堵段采用袋装水泥进行整体封堵，最外端采用钢板+工字钢与隧洞钢拱架连接形成整体。

④泵送混凝土。混凝土泵送计划按照2～3 m分层进行泵送，分层的控制主要按照空腔的大小预估2～3 m理论混凝土浇筑量进行控制。混凝土泵送较为困难时，可调整为水泥砂浆进行泵送。

(4)顶拱空腔混凝土浇筑完成且达到一定强度后拆除堵头，顶拱120°范围内施做C28、L=6 m超前锚杆，锚杆环向间距30 cm，前后两排搭接长度不小于杆体长度的2/3，超前锚杆可采用锚固剂进行锚固，同时在向前掘进过程中视围岩情况进行超前小导管注浆以加固岩体。

(5)塌方洞段桩号2+880～2+870段I20a型钢支撑加密至50 cm；同时，在隧洞掘进掌子面未全部通过塌方洞段时，每向前掘进2 m后布置一组围岩收敛观测点，并在适当位置增加锚杆应力计、多点位移计等，及时进行收敛观测，发现变形持续增大、数据异常时，在已施工的钢支撑腹部再增加一榀I20a型钢支撑并持续进行收敛观测。

(6)当监测围岩收敛观测数据持续变形且不收敛时，及时增加小吨位锚索控制围岩收敛变形。

4 TRT超前地质预报

根据相关资料和现场观测得知：掌子面附近的岩性为灰白色花岗岩，掌子面右侧顶拱发育一条灰绿岩脉，岩体较破碎，以碎裂结构为主，主要以Ⅳ～V类围岩为主。超前地质预报范围为：2+876～2+776，共计100 m。

4.1 预报工作的布置与成果解析方法

TRT的震源和检波器采用分布式的立体布置方式，具体布置方式见图3。

图3 震源和检波器布置方法图

TRT成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据其偏离与分布的多少解释隧道前方的地质情况。

(1)判断围岩地质情况的原则：

①一般来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区域呈蓝色，相对背景值硬质岩石呈黄色；

②从整体上对成像图进行解译，不能单独参照一个断面的图像。

(2)判断围岩类别的原则：

①根据异常区域图像相对于围岩背景，从背景波速分析异常的波速差异进而判断围岩类别；

②对围岩类别的判断必须与地质情况相结合，综合进行分析。

4.2 地质成果的解译与分析

(1)地质成果解译。

①1号引水隧洞三维成像图见图4。

图4 探测结果立体图

②波速分布图见图5。

图5 探测结果波速示意图

(2)勘测资料成果分析见表1。通过勘测区域的地震波反射扫描成像三维图、P波波速、掌子面地质观测的信息，可以得出以下结论：

表1 勘测资料成果分析表

5 后续开挖采用的支护技术措施

掌子面的开挖采用三台阶法开挖。三台阶开挖法是将隧道引水隧洞上半洞断面分成上、中、下三个台阶进行开挖的施工工法，其中上台阶高度为2 m、中台阶高度为2.5 m、下台阶高度为3.076 m，各台阶施工流程如下：

5.1 上台阶施工

(1)开挖上台阶，上台阶每循环开挖进尺不大于1 m，上台阶开挖掌子面与中台阶开挖掌子面的最大距离不大于4 m。

(2)每循环先施作上台阶周边的初期支护，初期支护主要包括挂钢筋网、架立I20a型钢支撑及喷混凝土施工。其施工程序为：先初喷厚3～5 cm的混凝土→再铺设钢筋网片→然后人工配合机械架立I20a型钢支撑(型钢支撑间距为50 cm)。

(3)受上台阶空间限制，系统锚杆无法施工，因此，在I20a型钢支撑架设完成后，复喷混凝土至设计厚度。在复喷混凝土的同时，将上台阶顶拱范围内的系统锚杆点位进行测量放样并做好标识及预埋。

(4)开挖掘进过程中,根据揭露后围岩的地质情况、监控量测资料及时调整上台阶支护结构形式,必要时在每榀I20a型钢拱架中间增加竖向支撑以使围岩支护得到有利的保护和加强，竖向支撑采用I20a型钢。

5.2 中台阶施工

(1)开挖中台阶在滞后上台阶掌子面2～4 m距离后进行，中台阶每循环开挖进尺不大于1.5 m，中台阶开挖掌子面与下台阶开挖掌子面的最大距离不大于4 m。

(2)中台阶每循环开挖完成后及时进行初期支护与上台阶初期支护形成封闭成环。首先沿中台阶导坑周边初喷厚3～5 cm的混凝土，再铺设钢筋网片,然后人工配合机械架立I20a型钢支撑与上台阶已架立的型钢支撑连接成环。

(3)受上台阶空间限制，系统锚杆仍无法施工。因此，在I20a型钢支撑架设完成后复喷混凝土至设计厚度。在复喷混凝土的同时，将中台阶边顶拱范围内的系统锚杆点位进行测量放样并做好标识及预埋。

(4)开挖掘进过程中,根据揭露后围岩的地质情况、监控量测资料及上台阶顶拱围岩收敛变形情况及时调整中台阶支护结构形式,必要时，在每榀I20a型钢拱架中间增加竖向支撑以使围岩支护得到有利的保护和加强，竖向支撑采用I20a型钢。

5.3 下台阶施工

(1)在滞后中台阶2～4 m距离后开挖下台阶，下台阶每循环开挖进尺不大于2 m；同时，掌子面与上台阶掌子面距离不大于8 m，与中台阶掌子面距离不大于4 m，待每循环支护完成后方可进行下一循环的开挖。

(2)下台阶每循环开挖完成后，及时进行初期支护与中、上台阶初期支护封闭成环，并及时进行上半洞系统锚杆的施工，即要求先沿下台阶周边围岩初喷厚3～5 cm的混凝土，再铺设钢筋网片,然后人工配合机械架立I20a型钢支撑与中台阶已架立的型钢支撑连接成环。

(3)下台阶在I20a型钢支撑架设完成后进行上半洞系统锚杆及复喷混凝土施工，要求系统锚杆按设计图纸参数进行施工，在系统锚杆及喷混凝土未完成前严禁进行下一循环的开挖施工。

(4)在隧洞掘进掌子面未全部通过塌方洞段时，每掘进2 m要求布置一组围岩收敛观测点，并及时进行收敛观测，以确保施工安全。

6 结 语

对于该塌方段的处理，第一阶段采用的是加强支护及灌浆，第二阶段采用的是塌方体处理及向前掘进处理方案。其可靠性较高、安全有保证，确保了塌方段安全、顺利通过，实现了大断面引水隧洞穿越不良地质段的快速掘进，在实际应用施工中取得了显著效果。通过该隧洞工程在塌方段施工中采取的技术措施得出了以下结论：

(1)隧洞塌方治理方案中采用分台阶短开挖、强支护的方法能够限制软弱破碎围岩变形的自由发展，减小了施工安全风险，对预防该段发生二次塌方起到了关键性作用。

(2)施工过程中，应探索适合不同地质条件的开挖支护参数和施工程序，加强安全监测，及时分析量测数据、反馈信息用以指导施工，适时加强支护，将塌方发生的可能性降至最低。

(3)通过实例应用发现：采用TRT超前地质预报的探测方法，分析、研究塌方体等不良地质体形态是成功的，可以有效探明塌方掌子面后续开挖的岩体状态，为制定后续处理方案提供有效的基础资料。