白石洞水庫至金井水廠管線工程隧洞鉆爆開挖不良地質圍巖的應急處理

（長沙縣水利工程建設中心，湖南長沙 410100）

1 工程總體概況

白石洞水庫位于長沙縣金井河支流丁家洞溪上，其開發任務為以灌溉為主，同時作為長沙縣縣城備用水源。白石洞水庫至金井水廠管線工程是白石洞水庫開發利用的配套工程，擬從白石洞水庫引水至金井水廠，為金井水廠的主要水源之一。工程距長沙縣縣城星沙鎮55 km。隧洞出口有鄉村公路通過，該鄉村公路與金開線（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：灰綠色粉砂質板巖，變質細砂巖夾板巖。巖層走向與洞向大角度斜交。地質構造主要有推測壓扭性斷裂，斷層破碎帶寬0.5～2 m，主要為石英脈、角礫巖，膠結較好，斷層走向與洞向小角度斜交（摘自《白石洞水庫至金井水廠管線工程施工技術要求》HND/B184gxs-6-01 地質描述）。

2 工程主要建設任務與規模

本管線工程隧洞段總長1.28 km，隧洞段線路為庫中凸岸至胡家洞出口，兩次轉彎成型，進口底板高程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（S0+002.250～S0+045.00）采用鋼筋混凝土漸變段襯砌，開挖洞徑4.3 m×4.7 m～3.1 m×3.7 m，初期支護措施為錨桿掛網噴混凝土，進口局部注漿小導管支護，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（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，開挖洞徑3.3 m×3.7 m，初期支護措施為錨桿掛網噴混凝土，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（S1+257.250～S1+278.250），采用鋼筋混凝土襯砌，開挖洞徑3.1 m×3.7 m～3.86 m×4.18 m，初期支護措施為錨桿掛網噴混凝土，出口局部采用管棚支護，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 類圍巖區采用錨噴支護，開挖洞徑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。

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

3 地質險情出現

2019 年11 月7 日，由隧洞出口往進口方向鉆爆開挖至樁號S0+779 時，在施工機械扒渣結合專用運渣車碎石外運接近20 個小時后，現場施工技術人員發現松散碎石堆方方量幾乎維持原樣未有變化，周邊碎石持續不斷補給，無法建立掌子面，立即上報建設、監理、設計和投評跟蹤員。

在收到險情發生的第一時間，馬上通知在現場作業的人員和機械及時撤離至安全支洞避險，同時安排有經驗的專人在確保安全距離處觀察險情發展狀況。第三方安全監測單位加密監測頻率，實時觀測圍巖整體是否穩定。

經過主要參建各方技術人員現場聯合勘察，初步分析為施工提前進入了破碎斷裂帶，出現不良地質狀況，上部碎石持續補給，形成塌方，導致掌子面圍巖巖層急劇變化，遭遇圍巖垮塌，需采取應急處理措施，確保安全穿越不良地質段，以確保作業人員安全施工。

4 應急處理技術要點

4.1 現場開挖揭露情況

經設計單位地質專家勘察，由樁號S0+776 開始，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，膠結較差，受此斷層影響，該隧洞段左側拱頂出現滲水及掉塊情況。

按照堆渣外運效果及渣料破碎程度，確認此處險情為頂部塌方導致。原設計招標方案有關平洞開挖或不良地質洞段開挖的相關施工技術條款，均不能有效指導此處險情的處置。經建設單位現場組織設計總院地質、施工、水工等相關專業專家會商后，與監理、施工及其他參建方現場負責人形成統一意見，認為必須馬上著手，采取科學合理的技術處置措施，安全穿越塌方洞段同時加強變形觀測，及時處置此處出現的地質險情。

4.2 塌方規模的界定

1）小型塌方。發生塌方的洞段沒有將地下洞室完全堵塞，且塌方繼續發展的時間間隔較長或者接近停止，作業人員在適當采取防護措施的前提下可以進入塌穴仔細觀察，同時可以采取技術手段同步處理。這類塌方危害小、持續時間短，可以充分利用現有材料和設施，在適當修改施工工藝后，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實，周邊塌方體碎石或土石混合體不停擴張，不斷持續補給，作業人員無法進入塌穴觀察，無法直觀分析塌方成因。此類塌方危害大、影響范圍廣，如不及時處置到位，對現有初期支護及圍巖整體安全性均有極大的破壞。

4.3 隧洞洞室開挖塌方的常規處理方式

發生塌方時，首先要確認有無作業人員被困。在確認人員安全的前提下，快速突擊和支護暫時還算穩定、沒有發生塌方的部位，與已有的臨時支護形成有效防護整體，然后有序安排作業人員和施工機械撤離至安全距離（避險支洞）以外休整待命。組織各方技術負責人及時查明并分析塌方原因、性質、規模、規律、范圍、地下水情況等，制定切實可行的處理方案，采取有效措施迅速處置，防止塌方范圍的延伸和擴大。同時安排專人在安全距離外旁站觀測，第三方安全監測單位加大檢測頻率，及時反饋圍巖變形數據，分析圍巖穩定狀況。

對于隧洞洞室塌方的處理，一般遵循“小型塌方先初期支護、后清理掉渣塌料；大型塌方先護襯保護塌方體、后穿越不良地質段”的總體思路，且必須堅持“要有效治理塌方，先科學治理滲水”的原則。

無論塌方體的規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，于塌方發生初期，組織有經驗的作業人員，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體系及圍巖，將塌方影響范圍控制在最小區域，以減輕后期應急處理的難度。

4.4 此處塌方規模的認定

根據現場參建各方的統一意見，在充分分析各種最不利因素的前提下，同時結合施工單位實際出渣效率，觀測出渣前后的堆渣體外形比對，此處塌方屬于隧洞洞室全斷面堵塞，且周邊碎石持續補給，應該歸類于大型塌方。

4.5 準備采用的處置措施

經過聽取設計單位地質專家的專業分析，判斷此類塌方清渣無法徹底，隨清隨塌，對于塌方的范圍、形狀、大小無法探明。處置的總體思路是通過采取合理的技術措施，人為保障垮塌體基本穩定的前提下，改變開挖方式，在最大程度減小對圍巖松動的前提下，穿越不良地質圍巖段。最終確定采用的除險處置方案為：噴漿固面、松散體超前固結支護（管棚+注漿支護）、超前排水、機械開挖掘進、鋼支撐掛網噴混凝土支護的措施，邊開挖、邊支護，順利穿越塌方段。

5 應急處理施工過程

5.1 噴漿固面

現場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，自身基本不具備穩定性。塌方體持續補給，且地下水突冒較明顯，沿洞頂和洞側壁無規律散排。

處置塌方的前提是首先將松散塌方體表面固結。掌子面先噴一層20 cm 厚混凝土作為止漿面，以確保進行壓力注漿時不出現漏漿、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 級普通硅酸鹽水泥。噴漿機器采用新型礦用防爆噴漿機，由下至上、分層噴射，與側壁初期支護形成一個相對封閉連續的整體。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。為確保固結效果，提高機器作業效率，干拌料混凝土水泥與砂石質量比為1∶4～1∶4.5；水灰比為0.4～0.45。

5.2 松散體超前固結支護（管棚+注漿支護）

超前固結支護的目的，是利用機械灌注水泥漿液，固結后形成人工圍巖。管棚采用直徑42 mm 無縫鋼管制作，長度在此處調整為4.5 m（進出口管棚管長為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，尾端絲扣護帽，管身交錯鉆孔，注漿孔徑6～8 mm。鋼管布設在塌方體頂部，間距20 cm，利用已有工字鋼強支撐固定，外插角度控制在5 度左右，外露長度約30 cm，便于注漿施工。

其他部位的設計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 級普通硅酸鹽水泥，所注水泥漿具有良好的流動性，且稠度適當?？紤]到此處松散體漿液擴散范圍較大，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2.4。灌漿完成后，鋼管內采用M20 早強水泥砂漿充填。

注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。漿液應采用拌合桶現場配制，隨配隨用，通過過濾篩進入泵體。注漿順序為由下至上，注漿量先大后小，注漿壓力由小到大、漿液先稀后濃。對注漿孔按順序編好號，并對每孔的漿液注入量，注漿壓力、注入起訖時間做好記錄。當壓力達到設計注漿終壓并穩定10～15 min，可結束該孔注漿。

5.3 超前排水

由于此段圍巖已經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。按照設計單位的意見，結合塌方體實際滲水情況，決定采用超前排水孔主動排水，以防地下水撐破噴護固結面。

塌方體做完噴漿固面形成止漿墻后，在待開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，導入施工排水溝，匯入施工作業集水井，隨積隨排，形成有效超前排水。如開挖面滲流嚴重，可加密排水孔，直至不影響正常施工除險作業。

5.4 開挖方式調整

此處系不良地質塌方段，為避免爆破開挖帶來更大的不利影響，由機械開挖掘進代替原設計的鉆孔爆破開挖，以滿足最大程度減輕對圍巖的松動破壞。由于采用水泥-水玻璃雙漿液，固結時間可控制在4 h 左右。在噴漿固面工序完成約4 h 后，可參照固結止漿墻的現場強度檢測，在強度達到設計值的70%以上時，合理安排開挖掘進。

機械開挖掘進時，嚴格遵循“短臺階開挖”的原則?？刂崎_挖面傾斜角度盡量不大于70°，且要求由上往下挖掘，嚴禁出現垂直或倒扣面開挖，更不能由下往上掏挖，以便于觀察和控制險情。在完全暴露原始圍巖掌子面、經設計院地質專業人員確認具備鉆孔爆破的條件后，才能確定已經穿越塌方段。

5.5 鋼支撐掛網噴混凝土支護的措施

此處工藝不作詳細闡述，有關工字鋼制作、鋼筋網、鎖腳錨桿、系統錨桿等工藝要求，嚴格按照原設計有關鋼支撐、強支護的初期支護施工技術要求實施，除鋼支撐榀距由1 m 加密到80 cm 以外，其余均不做調整。

6 應急處理后的效益分析、效果評估

2019 年11 月7 日出現險情，9 號自樁號S0+779開始處理，到22 號至樁號S0+773 全部結束，總穿越長度6 m，預算總花費處置費用約15 萬元，實際費用以參建各方聯合認定為準，同時上報投資評審中心核定。由于此處斷裂帶，在招標設計方案里是利用C20 混凝土楔形斷面回填，招投標方案里均有合理充分的工程量計取，所有抵消此部分造價后，實際新增工程量基本可以增減平衡，效益分析基本合理。

經除險結束后初步評估，嚴格參照第三方安全監測單位采集數據分析，圍巖初期支護監測數據穩定正常、超前地質預報反饋狀況趨好，支護面排水合理順暢、人機安全通過，后續鉆爆開挖順利進行，不良地質塌方體除險安全結束。

7 結語

1）動態設計調整。根據《水工隧洞設計規范》SL 279 中3.0.6 及3.0.7 中的條文要求“真實的地質條件大都是在施工過程中揭露，往往與開挖前的隧洞設計條件又出入，開挖后根據地質條件變化，及時補充或修改設計”。綜合評估本項目已施工揭露地址情況、施工過程質量控制及工藝采用情況、后續洞段地質預判等，為確保初期支護措施與實際圍巖類別相匹配，已要求設計單位進行動態設計調整。

2）頂部及側面存在局部脫空。根據以往的施工經驗及除險過程對松散體超前支護灌漿的情況分析，松散體頂部預計存在一定深度的脫空現象，不利于后期隧洞運行期間的圍巖穩定。在隧洞襯砌完成后，對此段洞身將采取單獨的回填灌漿技術處理措施，以確保圍巖穩定，徹底解除安全隱患。

3）嚴格控制爆破松動效果。對于后續繼續鉆爆開挖的洞段，爆破作業技術人員必須隨時根據爆破效果和清渣后的洞壁、掌子面整體地質狀況，服從地質專業人員的工作指令，動態調整鉆孔位置，嚴格控制爆破效果，減小爆破松動影響范圍，減少超挖超填工程量，控制投資，加快進度。

4）加強變形監測及超前地質預報。第三方安全監測在本項目鉆爆施工實施過程中的作用十分關鍵，不但可以24 h 實時監測圍巖沉降、收斂、有害氣體濃度，尤其還可以參照地質超前預報分析結果，預判后續圍巖地質變化和地下水增減趨勢，配合指導動態設計工作，為安全施工提供科學及時的依據。