高寒高海拔地区软岩长引水隧洞变形塌方处理技术——以西藏拉洛水利枢纽工程德罗引水隧洞为例

丹 增，刘 杉，冯云龙，达娃索朗

(1.西藏自治区拉洛水利枢纽及灌区管理局，西藏 拉萨 850000； 2.江苏科兴项目管理有限公司，江苏 南京 210000)

0 引 言

复杂地质条件下的隧洞开挖及支护施工难度大，施工过程中可能遇到围岩大变形、塌方等突发情况，对施工进度和安全影响较大，尤其是西藏、新疆等高寒高海拔地区的软岩长隧洞，因寒冷缺氧的气候环境影响，其施工受到限制。目前国内外对隧洞变形及塌方处理方案进行了研究。王振栋[1]依托贵州大独山隧道，对自进式小管棚在大断面深埋软岩隧道的工程应用进行研究。赵殿国[2]依托雅康高速公路小马厂隧道塌方工程，对其反复塌方问题进行了分析并提出了针对性解决方案。杨鹏[3]对江西省资溪县佛头岭隧道涌水塌方处理进行了研究，分析了软岩塌方的成因，总结了其支护措施。崔玉龙[4]对隧道松散塌方体进行了注浆加固试验研究，分析了浆液在地层中的注浆机理，指出水泥浆液在松散塌方体中的流动方式主要是渗透注浆。甘小江分析了大断面隧道贯通段塌方原因，研究了隧洞塌方应对措施[5]。不同地质情况下采用的支护技术有所差异。在软岩隧洞的施工支护中，变形及塌方处理可以根据现场情况，通过改变围岩情况、拱架布置密度、变更锚杆直径、缩小刚支撑间距等方式提高支护结构的强度。专门针对高寒高海拔地区软岩长隧洞变形及塌方处理的研究并不多。本文以西藏拉洛水利枢纽工程德罗引水隧洞为例，研究了此类工程施工问题的有效应对措施，对于确保工程的进度与安全具有重要意义。

1 工程概况

西藏拉洛水利枢纽工程德罗引水隧洞进水口位于拉洛水利枢纽坝轴线上游约6.2 km处，隧洞全长7 520.76 m，隧洞平均海拔高度为4 280 m，断面为马蹄形；采用无压引水，开挖断面为5.00 m×4.50 m，衬砌后断面为4.30 m×4.05 m，隧洞最大埋深213 m。

隧洞围岩主要为J2z，J1r钙质页岩，含泥质、炭质，夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩。德罗引水隧洞围岩的岩性较软弱，遇水易软化；部分洞段有基岩裂隙水渗出(浸润性渗出为主，局部有线状滴水)。开挖洞段由Ⅳ1、Ⅳ2和Ⅴ类围岩组成，以Ⅳ2类为主，Ⅳ1类围岩36.41%、Ⅳ2类围岩62.57%、Ⅴ类围岩1.03%。设计初期支护为锚喷支护及局部超前锚杆、钢拱架支护；隧洞开挖采用全断面钻爆开挖方法。德罗引水隧洞共设计有3条施工支洞，1条交通洞。

由于隧洞所在位置海拔高，全年大部分时间处于低气温环境，昼夜温差大，最低气温为-36 ℃，高寒缺氧，气候条件恶劣，人员、机械、设备效率低，对施工进度及安全有较大影响。

2 变形及塌方概况与成因分析

2.1 变形及塌方概况

隧洞开挖过程中按照设计要求进行了排水孔、锚杆、钢筋网、钢支撑、喷射混凝土等支护方案处理。随着施工的进行，在隧洞即将贯通或衬砌初期，已进行初期支护的洞段陆续发生了多处变形和塌方现象，拱顶、拱腰出现了不同程度的大变形灾害特征。主要表现为初期支护混凝土开裂、拱顶掉块、局部鼓胀，拱腰、边墙部位出现钢支撑变形，且存在以下6种工程问题类型：无钢支撑支护的变形、有钢支撑支护的变形、无钢支撑非全断面堵塞塌方、有钢支撑非全断面堵塞塌方、有钢支撑全断面堵塞(图1)、有钢支撑全断面堵塞(二次塌方)。

图1 有钢支撑全断面堵塞洞段Fig.1 Full section blocked tunnel section with steel support

2.2 变形及塌方成因分析

德罗引水隧洞变形及塌方的成因和作用机理分析如下。

(1) 围岩强度低。德罗引水隧洞围岩主要为J2z，J1r钙质页岩和含泥质、炭质页岩，夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩，抗压强度低，为软岩。这是影响隧洞围岩类别和成洞条件的主要因素。

(2) 裂隙水赋存。在开挖过程中，完整的泥质页岩一般具微-弱透水性，局部起相对隔水作用，围岩排水不畅，导致外水压力偏高。隧洞经开挖后，形成局部的地下水排泄基准面，使具有一定外水压力的地下水通过隧洞周边的裂隙向隧洞方向渗透，围岩中的地下水也容易在松动圈岩体裂隙中赋存，并逐渐使洞壁周边岩体处于湿润饱和状态，这与在检查时发现的较多变形及塌方洞段的基岩裂隙水渗出现象相符。

(3) 围岩软化失稳。虽然开挖完成后及时进行了初期支护，但受到应力松弛及地下水渗透浸润的影响，山体及洞周的地下水朝开挖岩石面方向逐步浸润、聚集、饱和，导致围岩软化失稳。随着时间的积累，围岩强度降低，围岩软化失稳后向内挤压，导致支护完成一段时间后的多处洞段出现不同程度的变形或塌方，这是上述多处洞段围岩在初期(临时)支护后产生局部或全断面变形和塌方的根本性因素。此类围岩因变形较快，突发性强。

从开挖支护过程分析，在开挖支护完成初期，地下水渗水并不明显，所以采取集中引排的方式，但未明确引排布置点，排水效果不明显。由于泥质页岩的相对阻水效应，渗水有一定滞后特征，在隧洞开挖前及开挖过程中难以发现；至塌方时，存在泥质页岩或炭质页岩普遍软化的现象，这与泥质页岩本身的弱透水性和泥质页岩中地下水赋存和浸润性渗出特点有关。

由于泥质页岩渗透性弱、阻水性强、遇水软化快，在隧洞即将贯通或衬砌初期，多处已进行初期支护的洞段出现了变形和塌方现象，这与泥质页岩地质特征相符。

根据以上变形和塌方原因分析，变形或塌方洞段都存在不同程度的地下水逐步浸润页岩围岩后发生软化失稳的情况，在开挖和初期支护阶段难以发现。

3 变形及塌方处理施工难点

德罗引水隧洞变形及塌方处理存在以下3个方面的施工难点。

(1) 塌方体结构松散，支护和清挖难度大。塌方体整体结构松散，部分已经泥化，锚杆、管棚和小导管等施工时成孔非常困难，效率极低；因泥质页岩特性，注浆浆液渗透性差，固结效果不佳，清挖时仍有掉块和局部坍塌现象，施工难度大。

(2) 施工过程伴随继续坍塌，作业危险性高。施工过程中，因管棚等支护措施控制范围有限，掌子面前方仍在继续坍塌；因裂隙水持续作用，变形和塌方段在钢支撑拆除过程中存在频繁的掉块、坍塌现象，人工作业危险性高。

(3) 轴线长、洞径小，施工组织难度大。德罗隧洞洞径小，大型设备无法进洞作业，塌方区域作业面狭小，作业效率低。轴线长、洞径小、作业面狭窄等因素制约了施工进度，加之洞内不可避免的交叉作业，现场施工组织难度大。

4 变形及塌方处理技术方案

4.1 解决思路

变形及塌方处理遵循“排水释能降压，注浆加固，超前支护稳定工作面，短进尺开挖，跟进支护”的原则。主要处理思路如下。

(1) 超前支护。为稳定工作面、确保施工安全，对变形及塌方体的围岩进行超前支护；对于根部变形及塌方情况，采用超前自进式中空锚杆、超前自进式小导管注浆及超前排水孔等处理措施，实现对围岩变形的控制。

(2) 提高围岩自承载能力。为了防止围岩持续变形侵蚀支护断面，通过径向围岩注浆、系统锚杆、随机锚杆、排水孔等处理措施改善围岩状况，提高围岩自承载能力。

(3) 柔性支护。为防止围岩暴露在空气中持续风化，应通过钢筋网以及喷射混凝土等措施封闭围岩。柔性支护整体面积较大且均一，能够解决围岩直接接触刚性支护后因受力点少而产生局部大变形的问题。

(4) 刚性支护。为防止围岩整体向临空面变形或塌方，应采用钢支撑结构。为了提高钢支撑的刚度，对钢支撑系统进行了改良，比如：提高钢支撑型号，从材料本身刚度改良；增加连接钢筋，部分区域以工字钢代替连接筋，使钢支撑形成钢支撑系统，从整体上阻挡围岩变形；增加混凝土护脚，采用预留底板保护层的方式，使支撑结构及时闭合成环，提供稳定的环向受力系统。

根据以上解决思路，通过分析变形及塌方情况特点，对德罗隧洞施工难点实施有针对性的施工工艺组合，从而形成了系统的变形及塌方处理方案。

4.2 处理技术

根据国内外目前变形及塌方处理研究，结合德罗隧洞的特点，针对不同类型的围岩变形和塌方问题，制定了适用性较强的技术方案。变形及塌方处理工艺见表1，相应施工参数见表2。

表1 变形及塌方处理工艺Tab.1 Deformation and collapse treatment processes

表2 变形及塌方处理工序施工参数Tab.2 Parameters of deformation and collapse treatment process

4.3 专项处理措施

4.3.1 钢支撑拱脚稳定控制措施

在变形及塌方部位，钢支撑的底部围岩因长期受地下水侵蚀，承载力和刚性不足，出现围岩稳定性降低、变形增大甚至钢支撑下沉现象。对此，采用了锁脚锚杆+钢垫板+拱脚混凝土护脚的处理措施。拱脚钢支撑底板焊接10 cm×10 cm钢板增加钢支撑拱脚的受力面积。混凝土护脚有较大的刚性，护脚工程量小，施工速度快，且能够为钢支撑提供较大的横向阻力。

4.3.2 地下水控制措施

变形及塌方处理采用自动控制、多级抽排地下水控制措施，确保有序排水，具体如下。

(1) 掌子面降水措施。每次塌方处理结束后，及时观察掌子面情况，如出现流水及渗水情况则增加掌子面排水管，将水引排至底板处，并随时注意水量变化情况，及时预警。

(2) 围岩排水措施。混凝土第一次喷混完成后即设置排水管，排水管设梅花形排水孔，端头以无纺布包裹。滴水现象较明显部位或水流较大部位设置环向排水管并引流至底板部位的排水沟中。环向排水管上部设置梅花形进水孔，每4～10 m一道，采用锚栓固定，间距视情况而定，适当加密环向盲管。为确保初期支护多余渗水的引排，在隧洞两侧表面施作纵向排水沟。

(3) 降水及集水措施。因页岩泥化后容易堵塞集水及排水设施，按照常规的方法设置降水设施时经常出现堵塞的情况，需进行不间断的检查及清理。因此，在靠近施工作业面附近设置降水井及输水通道，井内下部设置排水层，上部设置反滤层，输水通道设置排水层至附近集水井，有效避免了岩石泥化及施工面产生的岩泥顺水流至集水井。

(4) 纵向抽排水措施。采用自动控制、多级抽排的排水方式排水。

4.3.3 通风供氧措施

德罗隧洞变形及塌方段通风距离长，通风效果的好坏对施工进度有很大影响。变形塌方处理时，具有洞内通风供氧处理量较集中、施工强度大、施工干扰严重的问题，岩体凿除、喷射混凝土、钻孔、焊接等过程均会产生大量粉尘等有害物质，且必须在短时间内排出。

基于上述难点，现场施工时采用了灵活通风、加强有害气体检测的措施，并采用高压氧舱应急供氧结合集中点供氧与单体携氧的方式进行供氧系统布置。

4.4 变形及塌方处理效果

4.4.1 加固机理分析

采用的超前锚杆支护方式有效确保了变形及塌方处理的安全性。由于该工程的变形及塌方基本是在初期支护后产生，因此超前锚杆支护为原支护损坏拱架的拆除及断面扩挖提供了有力的安全保障。超前锚杆分别灵活采用了普通砂浆锚杆、自进式中空锚杆、孔壁开孔小导管，有效应对了不同变形塌方类型的受力特点和钻孔难易问题，在确保了施工安全和质量的同时保证了施工进度。

针对不同变形及塌方类型，有针对性地采用不同型号的钢支撑，增加钢支撑型号，提高钢支撑承载力和刚度。针对德罗引水隧洞围岩遇水易软化的特点，采用钢垫板结合混凝土护脚的措施，有效稳固拱脚和传递围岩变形力，确保了整个支撑体系的稳固。

采用快速喷混凝土的方式实现对塌方处理后围岩的快速封闭，减少围岩暴露时间；同时处理过程中布置纵横向排水管道，有序排水，以达到释能减压目的，有效确保变形塌方处理的稳定性和安全性。

4.4.2 监测结果分析

为掌握变形塌方的处理质量、分析变形及塌方处理的围岩稳定性，在处理过程中，为塌方部位处理后的断面安装监测仪器，对其断面变形量、钢筋应力、渗压水位等数据进行监测。通过监测数据对塌方处理后的实际处理效果进行判断。

德罗引水隧洞变形及塌方段共安装变形监测仪器测缝计9支、基岩变形计9支，应力应变监测仪器钢筋计9支，渗流渗压监测仪器渗压计9支。塌方段测缝计所测缝开合度在-0.23～0.23 mm之间，围岩变形在-0.79～0.12 mm之间(图2)，各测点开合度及浅层围岩变形目前呈稳定状态，钢筋应力在-65.25～17.86 MPa之间，钢筋应力整体呈稳定态势。德罗引水隧洞塌方段渗压计渗压值为0.006～0.137 MPa，渗压水位变化均在正常范围内。

图2 塌方段围岩变形-时间过程曲线Fig.2 Deformation-time curve of surrounding rock in collapse section

根据上述监测数据，变形量、钢筋应力变化等值均在允许范围之内，变形塌方处理效果良好。

5 结 语

通过分析德罗引水隧洞变形及塌方的特点，对传统技术加以优化并组合，形成了“超前支护+刚性+柔性支护+有序排水”的变形及塌方处理技术。该工艺技术有效解决了高寒高海拔地区软岩长引水隧洞变形及塌方突发性强、施工难度大、危险性高的施工难点，有效保证了施工进度和安全，取得了较好的处理效果。此套工艺技术适用于高寒高海拔地区深埋软岩长隧洞变形及塌方施工处理，可为类似工程借鉴。