基于TRT法輔助小斷面隧道塌方處理技術(shù)的應(yīng)用研究

李 正，王雅雯

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

近年來(lái)，隨著抽水蓄能電站建設(shè)的不斷推進(jìn)，引水隧洞工程作為重要組成部分得到了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。同時(shí)，引水隧道工程斷面相對(duì)較小，由于地質(zhì)條件的不確定性及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在著安全風(fēng)險(xiǎn)大、技術(shù)含量高、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工等特點(diǎn)。

目前，針對(duì)隧道塌方主要有以下3種處理方法：①注漿錨固法［1-3］，該方法是以“非套管成孔技術(shù)”和“中高壓注漿”為基礎(chǔ)的注漿錨固法塌方處理方案；②大管棚注漿超前支護(hù)［4-6］，該方法主要采用注漿大管棚輔以注漿小導(dǎo)管，對(duì)塌方體進(jìn)行預(yù)支護(hù)，采用短進(jìn)尺、分階段開(kāi)挖，對(duì)塌方體的支護(hù)做到隨挖隨支；③單排超前小導(dǎo)管注漿預(yù)固結(jié)［7-8］，該方法采用超前小導(dǎo)管對(duì)塌方體進(jìn)行預(yù)固結(jié)，使塌方體與注漿小導(dǎo)管形成結(jié)合體，增強(qiáng)抵抗隧道頂部塌陷荷載及沖擊荷載的能力。注漿錨固法采用的“非套管成孔技術(shù)”是方案成敗的關(guān)鍵，在松散巖層中尤其塌方體內(nèi)容易造成塌孔，往往導(dǎo)致方案無(wú)法順利實(shí)施。大管棚注漿超前支護(hù)（小導(dǎo)洞法）采用注漿大管棚輔以注漿小導(dǎo)管，適合于處理大斷面大塌方洞段，且技術(shù)較為復(fù)雜，成本較高。單排超前小導(dǎo)管注漿預(yù)固結(jié)法與本文所提方法較為接近，但對(duì)于松散破碎且塌方體沿洞軸線方向發(fā)展范圍較大的洞段，存在一定的局限性：①若超前小導(dǎo)管仰角較小，則起拱線以上塌方體注漿固結(jié)厚度有限，無(wú)法形成一定厚度（深度越淺，厚度越?。┑墓探Y(jié)體為上部提供足夠的承載力；②若超前小導(dǎo)管仰角較大，雖可在起拱線以上形成足夠厚度的固結(jié)體，但考慮到施工的可操作性，在小斷面隧道中因仰角大限制了鉆孔深度，可能導(dǎo)致無(wú)法選用合適長(zhǎng)度的超前小導(dǎo)管；同時(shí)，仰角大且塌方體開(kāi)挖不斷推進(jìn)的過(guò)程中，隨著開(kāi)挖深度不斷增加，小導(dǎo)管與洞頂設(shè)計(jì)洞挖線偏離變大，從而增加了開(kāi)挖難度，并可能因小導(dǎo)管下方的固結(jié)體無(wú)有效支撐造成二次塌方。

為了克服以上方法的不足，本文針對(duì)小斷面隧道軟弱破碎圍巖塌方洞段，結(jié)合TRT法診斷塌方體實(shí)際情況，并提出經(jīng)過(guò)改進(jìn)的“雙排小導(dǎo)管注漿預(yù)固結(jié)+小導(dǎo)管鋼支撐未擾動(dòng)巖層組合體+預(yù)留核心土”處理措施，對(duì)洞內(nèi)塌方體的松散渣體進(jìn)行加固處理，進(jìn)而安全快速通過(guò)塌方段。

1 TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

TRT是隧道地震波反射層析成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)的基本原理為利用地震波遇到聲學(xué)阻抗差異界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，通過(guò)高靈敏地震信號(hào)傳感器接收反射的地震信號(hào)，分析隧道帶開(kāi)挖面巖體的性質(zhì)，包括破碎帶、軟弱帶、含水情況、斷層等的位置及規(guī)模。反射系數(shù)公式如下：

式中：ρ1、ρ2分別為較破碎、較完整待開(kāi)挖巖體的密度；V1、V2分別為地震波在較破碎、較完整待開(kāi)挖巖體中的傳播速度。

通過(guò)公式分析可知，地震波從低阻抗物質(zhì)傳播到高阻抗物質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為正；反之，反射系數(shù)為負(fù)。

1.1 布置方法

TRT的震源和檢波器采用分布式的立體布置方式，具體方法見(jiàn)圖1。

圖1 震源和檢波器的布置方法

1.2 測(cè)試原理

通過(guò)錘擊震源點(diǎn)，地震波產(chǎn)生的同時(shí)觸發(fā)器形成觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給基站，基站下達(dá)采集地震波的指令給無(wú)線遠(yuǎn)程模塊，并通過(guò)筆記本電腦存儲(chǔ)傳回地震波數(shù)據(jù)，完成地震波數(shù)據(jù)采集。儀器連接如圖2所示。

圖2 TRT地震波采集系統(tǒng)模型

1.3 成果解析方法和原則

TRT成像圖采用相對(duì)解釋原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所有數(shù)據(jù)分析均是根據(jù)相對(duì)背景值，通過(guò)與背景區(qū)域值的偏離情況，確定待開(kāi)挖巖體異常區(qū)域的地質(zhì)情況。通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)定，將圍巖采空區(qū)域、含水區(qū)、破碎、裂隙情況作為背景值，呈深色顯示，與背景值相較為硬質(zhì)巖石時(shí)呈淺色顯示比較，判斷隧洞塌方體具體范圍（見(jiàn)圖3～4）。因待開(kāi)挖巖體較塌方體明顯密實(shí)且不存在空腔，因此可準(zhǔn)確判斷隧洞塌方體的具體范圍。

圖3 三維成像-側(cè)視示意

圖4 三維成像-立體示意

2 塌方處理方法的改進(jìn)

針對(duì)以往隧道塌方處理采取的傳統(tǒng)方式，本文采用“雙排小導(dǎo)管注漿預(yù)固結(jié)+小導(dǎo)管鋼支撐未擾動(dòng)巖層組合體+預(yù)留核心土”的處理措施，即結(jié)合小導(dǎo)管注漿固結(jié)渣體、小導(dǎo)管鋼支撐未擾動(dòng)巖層組合體支撐結(jié)構(gòu)、預(yù)留核心土3種方法建立三重保障體系，實(shí)現(xiàn)安全、快速處理塌方體。通過(guò)TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)探明塌方體情況，明確塌方體沿洞軸線的延伸長(zhǎng)度，進(jìn)而確定處理范圍和處理工藝。

第一排小導(dǎo)管主要起注漿固結(jié)作用，對(duì)起拱線以上的塌方體進(jìn)行固結(jié)，因塌方渣體空隙較大，同時(shí)為了節(jié)約注漿量，采用較低的注漿壓力和較高的注漿濃度，這種方式對(duì)漿液的流動(dòng)性要求不高（只需保證施工性能）。通過(guò)間斷注漿和添加速凝劑等手段，加快漿液的凝固，提高封閉孔隙的效果。因注漿壓力較小，塌方體空隙較大，漿液基本無(wú)法流入高于注漿孔的空隙位置，因此通過(guò)施工仰角較大的第一排小導(dǎo)管對(duì)其進(jìn)行注漿，固結(jié)下部渣體及封閉第二排小導(dǎo)管之間的空隙，防止松散土體通過(guò)第二排小導(dǎo)管之間的空隙掉落而發(fā)生二次塌陷。

第二排小導(dǎo)管主要起支撐作用，通過(guò)注入濃度較高的漿液，增加小導(dǎo)管的剛度，對(duì)小導(dǎo)管以上渣體進(jìn)行有效支撐，提供第二重保障。

此外，在開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)預(yù)留核心土對(duì)起拱線以上的塌方體進(jìn)行支撐，從而形成第三重保障。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

LGS隧道位于四川西部地區(qū)，隧道長(zhǎng)約3 750m，平均埋深170m，主要采用鉆爆法施工，洞徑尺寸為3.0 m×2.5m。隧道巖體較破碎，完整性差，屬Ⅴ類圍巖。

3.2 TRT法檢測(cè)分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)TRT數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析處理，得到檢測(cè)分析成果，如圖3～4所示。

由圖3～4可知：K0+459 m處為目前塌方面，在K0+455 m處附近出現(xiàn)淺色正反射，推測(cè)K0+455 m位置附近為掌子面，塌方段在洞軸線方向延伸范圍為引K0+459 m～K0+455 m，延伸長(zhǎng)度約4 m。

3.3 處理方法

（1）探明塌方體情況。通過(guò)TRT地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)探明塌方體情況，明確塌方體沿洞軸線的延伸長(zhǎng)度為4 m，確定處理范圍。

（2）鋼支撐加固。在掌子面渣體后方具備施工條件的位置進(jìn)行鋼支撐支護(hù)施工，鋼支撐安裝前清除底腳浮渣，拱腳有一定的埋置深度，并落在牢固基礎(chǔ)上。鋼支撐定位后打鎖腳錨桿，均衡分布。

（3）塌方體混凝土封閉。因塌方體渣體松散，直接注漿會(huì)出現(xiàn)漿液沿渣體表面流失，內(nèi)部漿液不密實(shí)等情況，因此注漿前需采用C20噴混凝土對(duì)整個(gè)掌子面暴露的渣體面進(jìn)行封閉，噴混凝土厚度為20 cm，從而確保后續(xù)的預(yù)固結(jié)注漿效果。

（4）超前小導(dǎo)管造孔。采用YT28氣腿式鑿巖機(jī)造孔，施工前測(cè)量隊(duì)按照設(shè)計(jì)尺寸在掌子面繪出開(kāi)挖輪廓線，并在開(kāi)挖輪廓線上按設(shè)計(jì)間距定出小導(dǎo)管中心位置，標(biāo)出鉆桿方向。鉆孔時(shí)采用普通鉆桿，鉆頭采用直徑Φ50 mm鉆頭。鉆孔時(shí)嚴(yán)格按定出的孔位進(jìn)行，施鉆過(guò)程中及時(shí)觀察鉆桿方向及外插角度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)方向及外插角偏差較大時(shí)應(yīng)予以調(diào)整，以保證鉆孔按設(shè)計(jì)要求完成，便于小導(dǎo)管起到預(yù)期的支護(hù)效果。

鉆機(jī)工況以及實(shí)際成孔難度可能會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題，一是塌方段渣體松散不易成孔；二是采用手風(fēng)鉆直接帶無(wú)縫鋼管鉆進(jìn)，但由于手風(fēng)鉆工況限制難以滿足4 m以上的鉆進(jìn)深度?；谝陨蟽牲c(diǎn)，應(yīng)先利用鉆機(jī)將Φ25 mm鉆桿帶Φ50 mm鉆頭打入設(shè)計(jì)深度，后再將Φ42 mm小導(dǎo)管套鉆桿安裝到設(shè)計(jì)深度。塌方處理縱剖面如圖5所示，不同部位超前小導(dǎo)管選用規(guī)格及施工參數(shù)如表1所示。

表1 超前小導(dǎo)管選用規(guī)格及施工參數(shù)

圖5 塌方處理縱剖面

新掌子面鉆孔的目的在于注漿固結(jié)開(kāi)挖輪廓線以下的渣體，即固結(jié)起拱線以下的渣體，故新掌子面的鉆孔最佳水平布置為水平鉆孔。在起拱線以上的鉆孔的目的在于使小導(dǎo)管與注漿體成為整體，形成有效支撐上方松散巖體的殼體。起拱線以上采用渣體鉆兩排孔，分別為第一排鉆孔和第二排鉆孔，其中第一排鉆孔的仰角（20°）大于第二排鉆孔的仰角（5°），第一排鉆孔的深度大于第二排鉆孔的深度，根據(jù)sin 20°/sin 5°=3.92的計(jì)算結(jié)果可以看出，仰角大小對(duì)于固結(jié)厚度具有明顯影響。考慮到施工的可操作性以及起拱線以上第二排鉆孔在注漿后的輔助支撐作用，加上起拱線以上第一排鉆孔的深度大于第二排鉆孔的深度，使得小導(dǎo)管有足夠長(zhǎng)度深入未被擾動(dòng)的前方巖體中，以提供足夠的承載力。

（5）小導(dǎo)管制作及安裝。超前小導(dǎo)管采用壁厚3.5 mm、外徑42 mm的熱軋無(wú)縫鋼管制成，并在小導(dǎo)管前部鉆注漿孔，尾部焊上Φ6.5 mm加勁箍，管壁四周鉆孔徑Φ8mm的壓漿孔，孔間距20 cm，呈梅花型布置，前端加工成錐形，尾部預(yù)留長(zhǎng)度不小于30 cm，作為不鉆孔的止?jié){段。

通過(guò)錘擊打入或鉆機(jī)頂入進(jìn)行小導(dǎo)管安裝，小導(dǎo)管尾部與鋼支撐焊連，完成后及時(shí)用高壓風(fēng)將鋼管內(nèi)的砂石吹干凈，并用麻絲或錨固劑等塑性材料封堵孔口及周圍裂隙。

（6）注漿。注漿主要分兩個(gè)部位進(jìn)行實(shí)施，一是起拱以上超前小導(dǎo)管注漿，以固結(jié)洞室上部渣體為目的；二是起拱以下渣體固結(jié)注漿，作為“預(yù)留核心土”為上部塌方體提供支撐，有利于后續(xù)的洞挖施工作業(yè)。注漿應(yīng)參照固結(jié)灌漿施工規(guī)范，注漿漿液濃度由稀到濃，逐級(jí)變換。

（7）出渣。待漿液達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行出渣，出渣分步分次進(jìn)行，每次出渣進(jìn)尺為50 cm，出渣分為兩步，首先機(jī)械配合人工清除兩側(cè)及頂部少量渣體，以便鋼支撐的安裝；待鋼支撐安裝完成后，再清除中間預(yù)留的核心土。

4 結(jié) 論

對(duì)于軟弱破碎洞段的較大塌方體，考慮到灌漿施工工藝要求嚴(yán)格、耗時(shí)長(zhǎng)、漿液耗材高及客觀條件限制的原因，很難通過(guò)注漿形成具有足夠強(qiáng)度的殼體。本文提出了通過(guò)將超前小導(dǎo)管前端打入未擾動(dòng)巖體一定長(zhǎng)度，后端與支撐架相連，并對(duì)超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，對(duì)起拱線位置的空隙進(jìn)行填充和封閉，形成有效支撐上方松散巖體的拱形殼體，實(shí)現(xiàn)利用小導(dǎo)管鋼支撐未擾動(dòng)巖層組合體對(duì)隧道頂部塌方體進(jìn)行支撐，輔以固結(jié)體所形成的“拱”的自身應(yīng)力作用，進(jìn)而快速有效進(jìn)行塌方處理。通過(guò)在隧道工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了所提方法具有技術(shù)簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)、成本較低、安全有效的特點(diǎn)，加快了施工進(jìn)度并降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其適用于小斷面隧道軟弱破碎圍巖嚴(yán)重塌方段。