白石洞水库至金井水厂管线工程隧洞钻爆开挖不良地质围岩的应急处理

（长沙县水利工程建设中心，湖南长沙 410100）

1 工程总体概况

白石洞水库位于长沙县金井河支流丁家洞溪上，其开发任务为以灌溉为主，同时作为长沙县县城备用水源。白石洞水库至金井水厂管线工程是白石洞水库开发利用的配套工程，拟从白石洞水库引水至金井水厂，为金井水厂的主要水源之一。工程距长沙县县城星沙镇55 km。隧洞出口有乡村公路通过，该乡村公路与金开线（X021）公路相接，交通条件较为便利。

隧洞沿线地形为一山脉，沿线隧洞埋深一般5～93 m，隧洞沿线地层为前震旦系冷家溪群第三岩组下段：灰绿色粉砂质板岩，变质细砂岩夹板岩。岩层走向与洞向大角度斜交。地质构造主要有推测压扭性断裂，断层破碎带宽0.5～2 m，主要为石英脉、角砾岩，胶结较好，断层走向与洞向小角度斜交（摘自《白石洞水库至金井水厂管线工程施工技术要求》HND/B184gxs-6-01 地质描述）。

2 工程主要建设任务与规模

本管线工程隧洞段总长1.28 km，隧洞段线路为库中凸岸至胡家洞出口，两次转弯成型，进口底板高程111.00 m，出口底板高程109.00 m，断面为城门洞型。其中：IV 类围岩区（S0+002.250～S0+045.00）采用钢筋混凝土渐变段衬砌，开挖洞径4.3 m×4.7 m～3.1 m×3.7 m，初期支护措施为锚杆挂网喷混凝土，进口局部注浆小导管支护，衬砌后净断面宽2.5 m、高3.0 m，衬砌厚度0.8～0.3 m；IV 类围岩区（S0+045.000～S0+205.000）、（S0+526.765～S0+634.765）、（S1+040.765～S1+257.250）采用钢筋混凝土衬砌，开挖洞径3.3 m×3.7 m，初期支护措施为锚杆挂网喷混凝土，衬砌后净断面宽2.5 m、高3.0 m，衬砌厚度0.3 m；IV 类围岩区（S1+257.250～S1+278.250），采用钢筋混凝土衬砌，开挖洞径3.1 m×3.7 m～3.86 m×4.18 m，初期支护措施为锚杆挂网喷混凝土，出口局部采用管棚支护，衬砌后净断面宽2.5 m，高3.0 m，衬砌厚度0.3～0.5 m；其它III 类围岩区采用锚喷支护，开挖洞径3.1 m×3.6 m，断面宽3.1 m、高3.2 m，底板衬砌厚度0.3 m，上部锚喷混凝土厚度0.1 m。

管线设计流量0.3 m/s，按照《防洪标准》（GB 50201-2014）及《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）确定管线工程的工程等别为IV 等，工程规模为小（I）型。

3 地质险情出现

2019 年11 月7 日，由隧洞出口往进口方向钻爆开挖至桩号S0+779 时，在施工机械扒渣结合专用运渣车碎石外运接近20 个小时后，现场施工技术人员发现松散碎石堆方方量几乎维持原样未有变化，周边碎石持续不断补给，无法建立掌子面，立即上报建设、监理、设计和投评跟踪员。

在收到险情发生的第一时间，马上通知在现场作业的人员和机械及时撤离至安全支洞避险，同时安排有经验的专人在确保安全距离处观察险情发展状况。第三方安全监测单位加密监测频率，实时观测围岩整体是否稳定。

经过主要参建各方技术人员现场联合勘察，初步分析为施工提前进入了破碎断裂带，出现不良地质状况，上部碎石持续补给，形成塌方，导致掌子面围岩岩层急剧变化，遭遇围岩垮塌，需采取应急处理措施，确保安全穿越不良地质段，以确保作业人员安全施工。

4 应急处理技术要点

4.1 现场开挖揭露情况

经设计单位地质专家勘察，由桩号S0+776 开始，受顺层断层切割，断层破碎带宽0.2～1 m，主要为石英脉、板岩、角砾岩，胶结较差，受此断层影响，该隧洞段左侧拱顶出现渗水及掉块情况。

按照堆渣外运效果及渣料破碎程度，确认此处险情为顶部塌方导致。原设计招标方案有关平洞开挖或不良地质洞段开挖的相关施工技术条款，均不能有效指导此处险情的处置。经建设单位现场组织设计总院地质、施工、水工等相关专业专家会商后，与监理、施工及其他参建方现场负责人形成统一意见，认为必须马上着手，采取科学合理的技术处置措施，安全穿越塌方洞段同时加强变形观测，及时处置此处出现的地质险情。

4.2 塌方规模的界定

1）小型塌方。发生塌方的洞段没有将地下洞室完全堵塞，且塌方继续发展的时间间隔较长或者接近停止，作业人员在适当采取防护措施的前提下可以进入塌穴仔细观察，同时可以采取技术手段同步处理。这类塌方危害小、持续时间短，可以充分利用现有材料和设施，在适当修改施工工艺后，即可安全穿越。

2）大型塌方。塌方体将洞室全断面完全堵塞堵严实，周边塌方体碎石或土石混合体不停扩张，不断持续补给，作业人员无法进入塌穴观察，无法直观分析塌方成因。此类塌方危害大、影响范围广，如不及时处置到位，对现有初期支护及围岩整体安全性均有极大的破坏。

4.3 隧洞洞室开挖塌方的常规处理方式

发生塌方时，首先要确认有无作业人员被困。在确认人员安全的前提下，快速突击和支护暂时还算稳定、没有发生塌方的部位，与已有的临时支护形成有效防护整体，然后有序安排作业人员和施工机械撤离至安全距离（避险支洞）以外休整待命。组织各方技术负责人及时查明并分析塌方原因、性质、规模、规律、范围、地下水情况等，制定切实可行的处理方案，采取有效措施迅速处置，防止塌方范围的延伸和扩大。同时安排专人在安全距离外旁站观测，第三方安全监测单位加大检测频率，及时反馈围岩变形数据，分析围岩稳定状况。

对于隧洞洞室塌方的处理，一般遵循“小型塌方先初期支护、后清理掉渣塌料；大型塌方先护衬保护塌方体、后穿越不良地质段”的总体思路，且必须坚持“要有效治理塌方，先科学治理渗水”的原则。

无论塌方体的规模属于小型或者大型，也不管处理方式采取何种工艺，首先还是要在确保安全的前提下，于塌方发生初期，组织有经验的作业人员，集中人力物力突击加固塌方体周边未遭受破坏的初期支护体系及围岩，将塌方影响范围控制在最小区域，以减轻后期应急处理的难度。

4.4 此处塌方规模的认定

根据现场参建各方的统一意见，在充分分析各种最不利因素的前提下，同时结合施工单位实际出渣效率，观测出渣前后的堆渣体外形比对，此处塌方属于隧洞洞室全断面堵塞，且周边碎石持续补给，应该归类于大型塌方。

4.5 准备采用的处置措施

经过听取设计单位地质专家的专业分析，判断此类塌方清渣无法彻底，随清随塌，对于塌方的范围、形状、大小无法探明。处置的总体思路是通过采取合理的技术措施，人为保障垮塌体基本稳定的前提下，改变开挖方式，在最大程度减小对围岩松动的前提下，穿越不良地质围岩段。最终确定采用的除险处置方案为：喷浆固面、松散体超前固结支护（管棚+注浆支护）、超前排水、机械开挖掘进、钢支撑挂网喷混凝土支护的措施，边开挖、边支护，顺利穿越塌方段。

5 应急处理施工过程

5.1 喷浆固面

现场塌方体主要为极松散碎石夹泥混合体，可视为极松散的破碎地层，自身基本不具备稳定性。塌方体持续补给，且地下水突冒较明显，沿洞顶和洞侧壁无规律散排。

处置塌方的前提是首先将松散塌方体表面固结。掌子面先喷一层20 cm 厚混凝土作为止浆面，以确保进行压力注浆时不出现漏浆、坍塌。固面喷浆采用C25干拌料混凝土喷射覆盖，水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥。喷浆机器采用新型矿用防爆喷浆机，由下至上、分层喷射，与侧壁初期支护形成一个相对封闭连续的整体。每层喷浆固面厚度控制小于7 cm，以防止新喷射的混凝土脱落。为确保固结效果，提高机器作业效率，干拌料混凝土水泥与砂石质量比为1∶4～1∶4.5；水灰比为0.4～0.45。

5.2 松散体超前固结支护（管棚+注浆支护）

超前固结支护的目的，是利用机械灌注水泥浆液，固结后形成人工围岩。管棚采用直径42 mm 无缝钢管制作，长度在此处调整为4.5 m（进出口管棚管长为6 m），搭接1.3 m，采用引孔顶入法安装。钢管前端为锥形麻丝封堵，尾端丝扣护帽，管身交错钻孔，注浆孔径6～8 mm。钢管布设在塌方体顶部，间距20 cm，利用已有工字钢强支撑固定，外插角度控制在5 度左右，外露长度约30 cm，便于注浆施工。

其他部位的设计注浆浆液采用水泥浆，水灰比为：W∶C=0.5～1∶1，水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥，所注水泥浆具有良好的流动性，且稠度适当。考虑到此处松散体浆液扩散范围较大，注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆，水玻璃浓度35 波美度，水玻璃模数2.4。灌浆完成后，钢管内采用M20 早强水泥砂浆充填。

注浆压力控制在0.5～1.0 MPa。浆液应采用拌合桶现场配制，随配随用，通过过滤筛进入泵体。注浆顺序为由下至上，注浆量先大后小，注浆压力由小到大、浆液先稀后浓。对注浆孔按顺序编好号，并对每孔的浆液注入量，注浆压力、注入起讫时间做好记录。当压力达到设计注浆终压并稳定10～15 min，可结束该孔注浆。

5.3 超前排水

由于此段围岩已经明显处于地下水水位线以下，且地表植被繁茂、地下水常年比较丰富，板岩裂隙密布。按照设计单位的意见，结合塌方体实际渗水情况，决定采用超前排水孔主动排水，以防地下水撑破喷护固结面。

塌方体做完喷浆固面形成止浆墙后，在待开挖堆渣体周边钻排水孔。具体位置为底角、直墙顶及拱顶，每断面共5 孔，排水孔断面间距约1.5 m。排水孔采用直径50 mmPVC 管引流，导入施工排水沟，汇入施工作业集水井，随积随排，形成有效超前排水。如开挖面渗流严重，可加密排水孔，直至不影响正常施工除险作业。

5.4 开挖方式调整

此处系不良地质塌方段，为避免爆破开挖带来更大的不利影响，由机械开挖掘进代替原设计的钻孔爆破开挖，以满足最大程度减轻对围岩的松动破坏。由于采用水泥-水玻璃双浆液，固结时间可控制在4 h 左右。在喷浆固面工序完成约4 h 后，可参照固结止浆墙的现场强度检测，在强度达到设计值的70%以上时，合理安排开挖掘进。

机械开挖掘进时，严格遵循“短台阶开挖”的原则。控制开挖面倾斜角度尽量不大于70°，且要求由上往下挖掘，严禁出现垂直或倒扣面开挖，更不能由下往上掏挖，以便于观察和控制险情。在完全暴露原始围岩掌子面、经设计院地质专业人员确认具备钻孔爆破的条件后，才能确定已经穿越塌方段。

5.5 钢支撑挂网喷混凝土支护的措施

此处工艺不作详细阐述，有关工字钢制作、钢筋网、锁脚锚杆、系统锚杆等工艺要求，严格按照原设计有关钢支撑、强支护的初期支护施工技术要求实施，除钢支撑榀距由1 m 加密到80 cm 以外，其余均不做调整。

6 应急处理后的效益分析、效果评估

2019 年11 月7 日出现险情，9 号自桩号S0+779开始处理，到22 号至桩号S0+773 全部结束，总穿越长度6 m，预算总花费处置费用约15 万元，实际费用以参建各方联合认定为准，同时上报投资评审中心核定。由于此处断裂带，在招标设计方案里是利用C20 混凝土楔形断面回填，招投标方案里均有合理充分的工程量计取，所有抵消此部分造价后，实际新增工程量基本可以增减平衡，效益分析基本合理。

经除险结束后初步评估，严格参照第三方安全监测单位采集数据分析，围岩初期支护监测数据稳定正常、超前地质预报反馈状况趋好，支护面排水合理顺畅、人机安全通过，后续钻爆开挖顺利进行，不良地质塌方体除险安全结束。

7 结语

1）动态设计调整。根据《水工隧洞设计规范》SL 279 中3.0.6 及3.0.7 中的条文要求“真实的地质条件大都是在施工过程中揭露，往往与开挖前的隧洞设计条件又出入，开挖后根据地质条件变化，及时补充或修改设计”。综合评估本项目已施工揭露地址情况、施工过程质量控制及工艺采用情况、后续洞段地质预判等，为确保初期支护措施与实际围岩类别相匹配，已要求设计单位进行动态设计调整。

2）顶部及侧面存在局部脱空。根据以往的施工经验及除险过程对松散体超前支护灌浆的情况分析，松散体顶部预计存在一定深度的脱空现象，不利于后期隧洞运行期间的围岩稳定。在隧洞衬砌完成后，对此段洞身将采取单独的回填灌浆技术处理措施，以确保围岩稳定，彻底解除安全隐患。

3）严格控制爆破松动效果。对于后续继续钻爆开挖的洞段，爆破作业技术人员必须随时根据爆破效果和清渣后的洞壁、掌子面整体地质状况，服从地质专业人员的工作指令，动态调整钻孔位置，严格控制爆破效果，减小爆破松动影响范围，减少超挖超填工程量，控制投资，加快进度。

4）加强变形监测及超前地质预报。第三方安全监测在本项目钻爆施工实施过程中的作用十分关键，不但可以24 h 实时监测围岩沉降、收敛、有害气体浓度，尤其还可以参照地质超前预报分析结果，预判后续围岩地质变化和地下水增减趋势，配合指导动态设计工作，为安全施工提供科学及时的依据。