基于TRT法輔助小斷面隧道塌方處理技術的應用研究

李 正，王雅雯

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

近年來，隨著抽水蓄能電站建設的不斷推進，引水隧洞工程作為重要組成部分得到了廣泛應用與發展。同時，引水隧道工程斷面相對較小，由于地質條件的不確定性及其結構特點，存在著安全風險大、技術含量高、動態設計施工等特點。

目前，針對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”和“中高壓注漿”為基礎的注漿錨固法塌方處理方案；②大管棚注漿超前支護［4-6］，該方法主要采用注漿大管棚輔以注漿小導管，對塌方體進行預支護，采用短進尺、分階段開挖，對塌方體的支護做到隨挖隨支；③單排超前小導管注漿預固結［7-8］，該方法采用超前小導管對塌方體進行預固結，使塌方體與注漿小導管形成結合體，增強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”是方案成敗的關鍵，在松散巖層中尤其塌方體內容易造成塌孔，往往導致方案無法順利實施。大管棚注漿超前支護（小導洞法）采用注漿大管棚輔以注漿小導管，適合于處理大斷面大塌方洞段，且技術較為復雜，成本較高。單排超前小導管注漿預固結法與本文所提方法較為接近，但對于松散破碎且塌方體沿洞軸線方向發展范圍較大的洞段，存在一定的局限性：①若超前小導管仰角較小，則起拱線以上塌方體注漿固結厚度有限，無法形成一定厚度（深度越淺，厚度越小）的固結體為上部提供足夠的承載力；②若超前小導管仰角較大，雖可在起拱線以上形成足夠厚度的固結體，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，可能導致無法選用合適長度的超前小導管；同時，仰角大且塌方體開挖不斷推進的過程中，隨著開挖深度不斷增加，小導管與洞頂設計洞挖線偏離變大，從而增加了開挖難度，并可能因小導管下方的固結體無有效支撐造成二次塌方。

為了克服以上方法的不足，本文針對小斷面隧道軟弱破碎圍巖塌方洞段，結合TRT法診斷塌方體實際情況，并提出經過改進的“雙排小導管注漿預固結+小導管鋼支撐未擾動巖層組合體+預留核心土”處理措施，對洞內塌方體的松散渣體進行加固處理，進而安全快速通過塌方段。

1 TRT地質超前預報技術

TRT是隧道地震波反射層析成像技術的簡稱，該技術的基本原理為利用地震波遇到聲學阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，通過高靈敏地震信號傳感器接收反射的地震信號，分析隧道帶開挖面巖體的性質，包括破碎帶、軟弱帶、含水情況、斷層等的位置及規模。反射系數公式如下：

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

通過公式分析可知，地震波從低阻抗物質傳播到高阻抗物質時，反射系數為正；反之，反射系數為負。

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，具體方法見圖1。

圖1 震源和檢波器的布置方法

1.2 測試原理

通過錘擊震源點，地震波產生的同時觸發器形成觸發信號發送給基站，基站下達采集地震波的指令給無線遠程模塊，并通過筆記本電腦存儲傳回地震波數據，完成地震波數據采集。儀器連接如圖2所示。

圖2 TRT地震波采集系統模型

1.3 成果解析方法和原則

TRT成像圖采用相對解釋原理對數據進行分析，所有數據分析均是根據相對背景值，通過與背景區域值的偏離情況，確定待開挖巖體異常區域的地質情況。通過對軟件進行設定，將圍巖采空區域、含水區、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巖石時呈淺色顯示比較，判斷隧洞塌方體具體范圍（見圖3～4）。因待開挖巖體較塌方體明顯密實且不存在空腔，因此可準確判斷隧洞塌方體的具體范圍。

圖3 三維成像-側視示意

圖4 三維成像-立體示意

2 塌方處理方法的改進

針對以往隧道塌方處理采取的傳統方式，本文采用“雙排小導管注漿預固結+小導管鋼支撐未擾動巖層組合體+預留核心土”的處理措施，即結合小導管注漿固結渣體、小導管鋼支撐未擾動巖層組合體支撐結構、預留核心土3種方法建立三重保障體系，實現安全、快速處理塌方體。通過TRT地質超前預報技術探明塌方體情況，明確塌方體沿洞軸線的延伸長度，進而確定處理范圍和處理工藝。

第一排小導管主要起注漿固結作用，對起拱線以上的塌方體進行固結，因塌方渣體空隙較大，同時為了節約注漿量，采用較低的注漿壓力和較高的注漿濃度，這種方式對漿液的流動性要求不高（只需保證施工性能）。通過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，漿液基本無法流入高于注漿孔的空隙位置，因此通過施工仰角較大的第一排小導管對其進行注漿，固結下部渣體及封閉第二排小導管之間的空隙，防止松散土體通過第二排小導管之間的空隙掉落而發生二次塌陷。

第二排小導管主要起支撐作用，通過注入濃度較高的漿液，增加小導管的剛度，對小導管以上渣體進行有效支撐，提供第二重保障。

此外，在開挖過程中通過預留核心土對起拱線以上的塌方體進行支撐，從而形成第三重保障。

3 工程應用

3.1 工程概況

LGS隧道位于四川西部地區，隧道長約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法檢測分析結果

通過對TRT數據資料進行分析處理，得到檢測分析成果，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處附近出現淺色正反射，推測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，延伸長度約4 m。

3.3 處理方法

（1）探明塌方體情況。通過TRT地質超前預報技術探明塌方體情況，明確塌方體沿洞軸線的延伸長度為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行鋼支撐支護施工，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，直接注漿會出現漿液沿渣體表面流失，內部漿液不密實等情況，因此注漿前需采用C20噴混凝土對整個掌子面暴露的渣體面進行封閉，噴混凝土厚度為20 cm，從而確保后續的預固結注漿效果。

（4）超前小導管造孔。采用YT28氣腿式鑿巖機造孔，施工前測量隊按照設計尺寸在掌子面繪出開挖輪廓線，并在開挖輪廓線上按設計間距定出小導管中心位置，標出鉆桿方向。鉆孔時采用普通鉆桿，鉆頭采用直徑Φ50 mm鉆頭。鉆孔時嚴格按定出的孔位進行，施鉆過程中及時觀察鉆桿方向及外插角度，當發現方向及外插角偏差較大時應予以調整，以保證鉆孔按設計要求完成，便于小導管起到預期的支護效果。

鉆機工況以及實際成孔難度可能會帶來兩個問題，一是塌方段渣體松散不易成孔；二是采用手風鉆直接帶無縫鋼管鉆進，但由于手風鉆工況限制難以滿足4 m以上的鉆進深度。基于以上兩點，應先利用鉆機將Φ25 mm鉆桿帶Φ50 mm鉆頭打入設計深度，后再將Φ42 mm小導管套鉆桿安裝到設計深度。塌方處理縱剖面如圖5所示，不同部位超前小導管選用規格及施工參數如表1所示。

表1 超前小導管選用規格及施工參數

圖5 塌方處理縱剖面

新掌子面鉆孔的目的在于注漿固結開挖輪廓線以下的渣體，即固結起拱線以下的渣體，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sin 20°/sin 5°=3.92的計算結果可以看出，仰角大小對于固結厚度具有明顯影響。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，使得小導管有足夠長度深入未被擾動的前方巖體中，以提供足夠的承載力。

（5）小導管制作及安裝。超前小導管采用壁厚3.5 mm、外徑42 mm的熱軋無縫鋼管制成，并在小導管前部鉆注漿孔，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，尾部預留長度不小于30 cm，作為不鉆孔的止漿段。

通過錘擊打入或鉆機頂入進行小導管安裝，小導管尾部與鋼支撐焊連，完成后及時用高壓風將鋼管內的砂石吹干凈，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。注漿主要分兩個部位進行實施，一是起拱以上超前小導管注漿，以固結洞室上部渣體為目的；二是起拱以下渣體固結注漿，作為“預留核心土”為上部塌方體提供支撐，有利于后續的洞挖施工作業。注漿應參照固結灌漿施工規范，注漿漿液濃度由稀到濃，逐級變換。

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

4 結 論

對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格、耗時長、漿液耗材高及客觀條件限制的原因，很難通過注漿形成具有足夠強度的殼體。本文提出了通過將超前小導管前端打入未擾動巖體一定長度，后端與支撐架相連，并對超前小導管進行注漿，對起拱線位置的空隙進行填充和封閉，形成有效支撐上方松散巖體的拱形殼體，實現利用小導管鋼支撐未擾動巖層組合體對隧道頂部塌方體進行支撐，輔以固結體所形成的“拱”的自身應力作用，進而快速有效進行塌方處理。通過在隧道工程現場實際應用，驗證了所提方法具有技術簡單、操作性強、成本較低、安全有效的特點，加快了施工進度并降低了施工安全風險，尤其適用于小斷面隧道軟弱破碎圍巖嚴重塌方段。