白石洞水庫(kù)至金井水廠管線工程隧洞鉆爆開(kāi)挖不良地質(zhì)圍巖的應(yīng)急處理

（長(zhǎng)沙縣水利工程建設(shè)中心，湖南長(zhǎng)沙 410100）

1 工程總體概況

白石洞水庫(kù)位于長(zhǎng)沙縣金井河支流丁家洞溪上，其開(kāi)發(fā)任務(wù)為以灌溉為主，同時(shí)作為長(zhǎng)沙縣縣城備用水源。白石洞水庫(kù)至金井水廠管線工程是白石洞水庫(kù)開(kāi)發(fā)利用的配套工程，擬從白石洞水庫(kù)引水至金井水廠，為金井水廠的主要水源之一。工程距長(zhǎng)沙縣縣城星沙鎮(zhèn)55 km。隧洞出口有鄉(xiāng)村公路通過(guò)，該鄉(xiāng)村公路與金開(kāi)線（X021）公路相接，交通條件較為便利。

隧洞沿線地形為一山脈，沿線隧洞埋深一般5～93 m，隧洞沿線地層為前震旦系冷家溪群第三巖組下段：灰綠色粉砂質(zhì)板巖，變質(zhì)細(xì)砂巖夾板巖。巖層走向與洞向大角度斜交。地質(zhì)構(gòu)造主要有推測(cè)壓扭性斷裂，斷層破碎帶寬0.5～2 m，主要為石英脈、角礫巖，膠結(jié)較好，斷層走向與洞向小角度斜交（摘自《白石洞水庫(kù)至金井水廠管線工程施工技術(shù)要求》HND/B184gxs-6-01 地質(zhì)描述）。

2 工程主要建設(shè)任務(wù)與規(guī)模

本管線工程隧洞段總長(zhǎng)1.28 km，隧洞段線路為庫(kù)中凸岸至胡家洞出口，兩次轉(zhuǎn)彎成型，進(jìn)口底板高程111.00 m，出口底板高程109.00 m，斷面為城門洞型。其中：IV 類圍巖區(qū)（S0+002.250～S0+045.00）采用鋼筋混凝土漸變段襯砌，開(kāi)挖洞徑4.3 m×4.7 m～3.1 m×3.7 m，初期支護(hù)措施為錨桿掛網(wǎng)噴混凝土，進(jìn)口局部注漿小導(dǎo)管支護(hù)，襯砌后凈斷面寬2.5 m、高3.0 m，襯砌厚度0.8～0.3 m；IV 類圍巖區(qū)（S0+045.000～S0+205.000）、（S0+526.765～S0+634.765）、（S1+040.765～S1+257.250）采用鋼筋混凝土襯砌，開(kāi)挖洞徑3.3 m×3.7 m，初期支護(hù)措施為錨桿掛網(wǎng)噴混凝土，襯砌后凈斷面寬2.5 m、高3.0 m，襯砌厚度0.3 m；IV 類圍巖區(qū)（S1+257.250～S1+278.250），采用鋼筋混凝土襯砌，開(kāi)挖洞徑3.1 m×3.7 m～3.86 m×4.18 m，初期支護(hù)措施為錨桿掛網(wǎng)噴混凝土，出口局部采用管棚支護(hù)，襯砌后凈斷面寬2.5 m，高3.0 m，襯砌厚度0.3～0.5 m；其它III 類圍巖區(qū)采用錨噴支護(hù)，開(kāi)挖洞徑3.1 m×3.6 m，斷面寬3.1 m、高3.2 m，底板襯砌厚度0.3 m，上部錨噴混凝土厚度0.1 m。

管線設(shè)計(jì)流量0.3 m/s，按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）及《水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）確定管線工程的工程等別為IV 等，工程規(guī)模為?。↖）型。

3 地質(zhì)險(xiǎn)情出現(xiàn)

2019 年11 月7 日，由隧洞出口往進(jìn)口方向鉆爆開(kāi)挖至樁號(hào)S0+779 時(shí)，在施工機(jī)械扒渣結(jié)合專用運(yùn)渣車碎石外運(yùn)接近20 個(gè)小時(shí)后，現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)松散碎石堆方方量幾乎維持原樣未有變化，周邊碎石持續(xù)不斷補(bǔ)給，無(wú)法建立掌子面，立即上報(bào)建設(shè)、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和投評(píng)跟蹤員。

在收到險(xiǎn)情發(fā)生的第一時(shí)間，馬上通知在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的人員和機(jī)械及時(shí)撤離至安全支洞避險(xiǎn)，同時(shí)安排有經(jīng)驗(yàn)的專人在確保安全距離處觀察險(xiǎn)情發(fā)展?fàn)顩r。第三方安全監(jiān)測(cè)單位加密監(jiān)測(cè)頻率，實(shí)時(shí)觀測(cè)圍巖整體是否穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)主要參建各方技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合勘察，初步分析為施工提前進(jìn)入了破碎斷裂帶，出現(xiàn)不良地質(zhì)狀況，上部碎石持續(xù)補(bǔ)給，形成塌方，導(dǎo)致掌子面圍巖巖層急劇變化，遭遇圍巖垮塌，需采取應(yīng)急處理措施，確保安全穿越不良地質(zhì)段，以確保作業(yè)人員安全施工。

4 應(yīng)急處理技術(shù)要點(diǎn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露情況

經(jīng)設(shè)計(jì)單位地質(zhì)專家勘察，由樁號(hào)S0+776 開(kāi)始，受順層斷層切割，斷層破碎帶寬0.2～1 m，主要為石英脈、板巖、角礫巖，膠結(jié)較差，受此斷層影響，該隧洞段左側(cè)拱頂出現(xiàn)滲水及掉塊情況。

按照堆渣外運(yùn)效果及渣料破碎程度，確認(rèn)此處險(xiǎn)情為頂部塌方導(dǎo)致。原設(shè)計(jì)招標(biāo)方案有關(guān)平洞開(kāi)挖或不良地質(zhì)洞段開(kāi)挖的相關(guān)施工技術(shù)條款，均不能有效指導(dǎo)此處險(xiǎn)情的處置。經(jīng)建設(shè)單位現(xiàn)場(chǎng)組織設(shè)計(jì)總院地質(zhì)、施工、水工等相關(guān)專業(yè)專家會(huì)商后，與監(jiān)理、施工及其他參建方現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人形成統(tǒng)一意見(jiàn)，認(rèn)為必須馬上著手，采取科學(xué)合理的技術(shù)處置措施，安全穿越塌方洞段同時(shí)加強(qiáng)變形觀測(cè)，及時(shí)處置此處出現(xiàn)的地質(zhì)險(xiǎn)情。

4.2 塌方規(guī)模的界定

1）小型塌方。發(fā)生塌方的洞段沒(méi)有將地下洞室完全堵塞，且塌方繼續(xù)發(fā)展的時(shí)間間隔較長(zhǎng)或者接近停止，作業(yè)人員在適當(dāng)采取防護(hù)措施的前提下可以進(jìn)入塌穴仔細(xì)觀察，同時(shí)可以采取技術(shù)手段同步處理。這類塌方危害小、持續(xù)時(shí)間短，可以充分利用現(xiàn)有材料和設(shè)施，在適當(dāng)修改施工工藝后，即可安全穿越。

2）大型塌方。塌方體將洞室全斷面完全堵塞堵嚴(yán)實(shí)，周邊塌方體碎石或土石混合體不停擴(kuò)張，不斷持續(xù)補(bǔ)給，作業(yè)人員無(wú)法進(jìn)入塌穴觀察，無(wú)法直觀分析塌方成因。此類塌方危害大、影響范圍廣，如不及時(shí)處置到位，對(duì)現(xiàn)有初期支護(hù)及圍巖整體安全性均有極大的破壞。

4.3 隧洞洞室開(kāi)挖塌方的常規(guī)處理方式

發(fā)生塌方時(shí)，首先要確認(rèn)有無(wú)作業(yè)人員被困。在確認(rèn)人員安全的前提下，快速突擊和支護(hù)暫時(shí)還算穩(wěn)定、沒(méi)有發(fā)生塌方的部位，與已有的臨時(shí)支護(hù)形成有效防護(hù)整體，然后有序安排作業(yè)人員和施工機(jī)械撤離至安全距離（避險(xiǎn)支洞）以外休整待命。組織各方技術(shù)負(fù)責(zé)人及時(shí)查明并分析塌方原因、性質(zhì)、規(guī)模、規(guī)律、范圍、地下水情況等，制定切實(shí)可行的處理方案，采取有效措施迅速處置，防止塌方范圍的延伸和擴(kuò)大。同時(shí)安排專人在安全距離外旁站觀測(cè)，第三方安全監(jiān)測(cè)單位加大檢測(cè)頻率，及時(shí)反饋圍巖變形數(shù)據(jù)，分析圍巖穩(wěn)定狀況。

對(duì)于隧洞洞室塌方的處理，一般遵循“小型塌方先初期支護(hù)、后清理掉渣塌料；大型塌方先護(hù)襯保護(hù)塌方體、后穿越不良地質(zhì)段”的總體思路，且必須堅(jiān)持“要有效治理塌方，先科學(xué)治理滲水”的原則。

無(wú)論塌方體的規(guī)模屬于小型或者大型，也不管處理方式采取何種工藝，首先還是要在確保安全的前提下，于塌方發(fā)生初期，組織有經(jīng)驗(yàn)的作業(yè)人員，集中人力物力突擊加固塌方體周邊未遭受破壞的初期支護(hù)體系及圍巖，將塌方影響范圍控制在最小區(qū)域，以減輕后期應(yīng)急處理的難度。

4.4 此處塌方規(guī)模的認(rèn)定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參建各方的統(tǒng)一意見(jiàn)，在充分分析各種最不利因素的前提下，同時(shí)結(jié)合施工單位實(shí)際出渣效率，觀測(cè)出渣前后的堆渣體外形比對(duì)，此處塌方屬于隧洞洞室全斷面堵塞，且周邊碎石持續(xù)補(bǔ)給，應(yīng)該歸類于大型塌方。

4.5 準(zhǔn)備采用的處置措施

經(jīng)過(guò)聽(tīng)取設(shè)計(jì)單位地質(zhì)專家的專業(yè)分析，判斷此類塌方清渣無(wú)法徹底，隨清隨塌，對(duì)于塌方的范圍、形狀、大小無(wú)法探明。處置的總體思路是通過(guò)采取合理的技術(shù)措施，人為保障垮塌體基本穩(wěn)定的前提下，改變開(kāi)挖方式，在最大程度減小對(duì)圍巖松動(dòng)的前提下，穿越不良地質(zhì)圍巖段。最終確定采用的除險(xiǎn)處置方案為：噴漿固面、松散體超前固結(jié)支護(hù)（管棚+注漿支護(hù)）、超前排水、機(jī)械開(kāi)挖掘進(jìn)、鋼支撐掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)的措施，邊開(kāi)挖、邊支護(hù)，順利穿越塌方段。

5 應(yīng)急處理施工過(guò)程

5.1 噴漿固面

現(xiàn)場(chǎng)塌方體主要為極松散碎石夾泥混合體，可視為極松散的破碎地層，自身基本不具備穩(wěn)定性。塌方體持續(xù)補(bǔ)給，且地下水突冒較明顯，沿洞頂和洞側(cè)壁無(wú)規(guī)律散排。

處置塌方的前提是首先將松散塌方體表面固結(jié)。掌子面先噴一層20 cm 厚混凝土作為止?jié){面，以確保進(jìn)行壓力注漿時(shí)不出現(xiàn)漏漿、坍塌。固面噴漿采用C25干拌料混凝土噴射覆蓋，水泥采用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。噴漿機(jī)器采用新型礦用防爆噴漿機(jī)，由下至上、分層噴射，與側(cè)壁初期支護(hù)形成一個(gè)相對(duì)封閉連續(xù)的整體。每層噴漿固面厚度控制小于7 cm，以防止新噴射的混凝土脫落。為確保固結(jié)效果，提高機(jī)器作業(yè)效率，干拌料混凝土水泥與砂石質(zhì)量比為1∶4～1∶4.5；水灰比為0.4～0.45。

5.2 松散體超前固結(jié)支護(hù)（管棚+注漿支護(hù)）

超前固結(jié)支護(hù)的目的，是利用機(jī)械灌注水泥漿液，固結(jié)后形成人工圍巖。管棚采用直徑42 mm 無(wú)縫鋼管制作，長(zhǎng)度在此處調(diào)整為4.5 m（進(jìn)出口管棚管長(zhǎng)為6 m），搭接1.3 m，采用引孔頂入法安裝。鋼管前端為錐形麻絲封堵，尾端絲扣護(hù)帽，管身交錯(cuò)鉆孔，注漿孔徑6～8 mm。鋼管布設(shè)在塌方體頂部，間距20 cm，利用已有工字鋼強(qiáng)支撐固定，外插角度控制在5 度左右，外露長(zhǎng)度約30 cm，便于注漿施工。

其他部位的設(shè)計(jì)注漿漿液采用水泥漿，水灰比為：W∶C=0.5～1∶1，水泥采用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，所注水泥漿具有良好的流動(dòng)性，且稠度適當(dāng)?？紤]到此處松散體漿液擴(kuò)散范圍較大，注漿漿液改為水泥-水玻璃雙液漿，水玻璃濃度35 波美度，水玻璃模數(shù)2.4。灌漿完成后，鋼管內(nèi)采用M20 早強(qiáng)水泥砂漿充填。

注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。漿液應(yīng)采用拌合桶現(xiàn)場(chǎng)配制，隨配隨用，通過(guò)過(guò)濾篩進(jìn)入泵體。注漿順序?yàn)橛上轮辽希{量先大后小，注漿壓力由小到大、漿液先稀后濃。對(duì)注漿孔按順序編好號(hào)，并對(duì)每孔的漿液注入量，注漿壓力、注入起訖時(shí)間做好記錄。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿終壓并穩(wěn)定10～15 min，可結(jié)束該孔注漿。

5.3 超前排水

由于此段圍巖已經(jīng)明顯處于地下水水位線以下，且地表植被繁茂、地下水常年比較豐富，板巖裂隙密布。按照設(shè)計(jì)單位的意見(jiàn)，結(jié)合塌方體實(shí)際滲水情況，決定采用超前排水孔主動(dòng)排水，以防地下水撐破噴護(hù)固結(jié)面。

塌方體做完噴漿固面形成止?jié){墻后，在待開(kāi)挖堆渣體周邊鉆排水孔。具體位置為底角、直墻頂及拱頂，每斷面共5 孔，排水孔斷面間距約1.5 m。排水孔采用直徑50 mmPVC 管引流，導(dǎo)入施工排水溝，匯入施工作業(yè)集水井，隨積隨排，形成有效超前排水。如開(kāi)挖面滲流嚴(yán)重，可加密排水孔，直至不影響正常施工除險(xiǎn)作業(yè)。

5.4 開(kāi)挖方式調(diào)整

此處系不良地質(zhì)塌方段，為避免爆破開(kāi)挖帶來(lái)更大的不利影響，由機(jī)械開(kāi)挖掘進(jìn)代替原設(shè)計(jì)的鉆孔爆破開(kāi)挖，以滿足最大程度減輕對(duì)圍巖的松動(dòng)破壞。由于采用水泥-水玻璃雙漿液，固結(jié)時(shí)間可控制在4 h 左右。在噴漿固面工序完成約4 h 后，可參照固結(jié)止?jié){墻的現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)，在強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的70%以上時(shí)，合理安排開(kāi)挖掘進(jìn)。

機(jī)械開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí)，嚴(yán)格遵循“短臺(tái)階開(kāi)挖”的原則?？刂崎_(kāi)挖面傾斜角度盡量不大于70°，且要求由上往下挖掘，嚴(yán)禁出現(xiàn)垂直或倒扣面開(kāi)挖，更不能由下往上掏挖，以便于觀察和控制險(xiǎn)情。在完全暴露原始圍巖掌子面、經(jīng)設(shè)計(jì)院地質(zhì)專業(yè)人員確認(rèn)具備鉆孔爆破的條件后，才能確定已經(jīng)穿越塌方段。

5.5 鋼支撐掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)的措施

此處工藝不作詳細(xì)闡述，有關(guān)工字鋼制作、鋼筋網(wǎng)、鎖腳錨桿、系統(tǒng)錨桿等工藝要求，嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)有關(guān)鋼支撐、強(qiáng)支護(hù)的初期支護(hù)施工技術(shù)要求實(shí)施，除鋼支撐榀距由1 m 加密到80 cm 以外，其余均不做調(diào)整。

6 應(yīng)急處理后的效益分析、效果評(píng)估

2019 年11 月7 日出現(xiàn)險(xiǎn)情，9 號(hào)自樁號(hào)S0+779開(kāi)始處理，到22 號(hào)至樁號(hào)S0+773 全部結(jié)束，總穿越長(zhǎng)度6 m，預(yù)算總花費(fèi)處置費(fèi)用約15 萬(wàn)元，實(shí)際費(fèi)用以參建各方聯(lián)合認(rèn)定為準(zhǔn)，同時(shí)上報(bào)投資評(píng)審中心核定。由于此處斷裂帶，在招標(biāo)設(shè)計(jì)方案里是利用C20 混凝土楔形斷面回填，招投標(biāo)方案里均有合理充分的工程量計(jì)取，所有抵消此部分造價(jià)后，實(shí)際新增工程量基本可以增減平衡，效益分析基本合理。

經(jīng)除險(xiǎn)結(jié)束后初步評(píng)估，嚴(yán)格參照第三方安全監(jiān)測(cè)單位采集數(shù)據(jù)分析，圍巖初期支護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定正常、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)反饋狀況趨好，支護(hù)面排水合理順暢、人機(jī)安全通過(guò)，后續(xù)鉆爆開(kāi)挖順利進(jìn)行，不良地質(zhì)塌方體除險(xiǎn)安全結(jié)束。

7 結(jié)語(yǔ)

1）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 279 中3.0.6 及3.0.7 中的條文要求“真實(shí)的地質(zhì)條件大都是在施工過(guò)程中揭露，往往與開(kāi)挖前的隧洞設(shè)計(jì)條件又出入，開(kāi)挖后根據(jù)地質(zhì)條件變化，及時(shí)補(bǔ)充或修改設(shè)計(jì)”。綜合評(píng)估本項(xiàng)目已施工揭露地址情況、施工過(guò)程質(zhì)量控制及工藝采用情況、后續(xù)洞段地質(zhì)預(yù)判等，為確保初期支護(hù)措施與實(shí)際圍巖類別相匹配，已要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)調(diào)整。

2）頂部及側(cè)面存在局部脫空。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)及除險(xiǎn)過(guò)程對(duì)松散體超前支護(hù)灌漿的情況分析，松散體頂部預(yù)計(jì)存在一定深度的脫空現(xiàn)象，不利于后期隧洞運(yùn)行期間的圍巖穩(wěn)定。在隧洞襯砌完成后，對(duì)此段洞身將采取單獨(dú)的回填灌漿技術(shù)處理措施，以確保圍巖穩(wěn)定，徹底解除安全隱患。

3）嚴(yán)格控制爆破松動(dòng)效果。對(duì)于后續(xù)繼續(xù)鉆爆開(kāi)挖的洞段，爆破作業(yè)技術(shù)人員必須隨時(shí)根據(jù)爆破效果和清渣后的洞壁、掌子面整體地質(zhì)狀況，服從地質(zhì)專業(yè)人員的工作指令，動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆孔位置，嚴(yán)格控制爆破效果，減小爆破松動(dòng)影響范圍，減少超挖超填工程量，控制投資，加快進(jìn)度。

4）加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。第三方安全監(jiān)測(cè)在本項(xiàng)目鉆爆施工實(shí)施過(guò)程中的作用十分關(guān)鍵，不但可以24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖沉降、收斂、有害氣體濃度，尤其還可以參照地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析結(jié)果，預(yù)判后續(xù)圍巖地質(zhì)變化和地下水增減趨勢(shì)，配合指導(dǎo)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)工作，為安全施工提供科學(xué)及時(shí)的依據(jù)。