基于TRT法辅助小断面隧道塌方处理技术的应用研究

李 正，王雅雯

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

近年来，随着抽水蓄能电站建设的不断推进，引水隧洞工程作为重要组成部分得到了广泛应用与发展。同时，引水隧道工程断面相对较小，由于地质条件的不确定性及其结构特点，存在着安全风险大、技术含量高、动态设计施工等特点。

目前，针对隧道塌方主要有以下3种处理方法：①注浆锚固法［1-3］，该方法是以“非套管成孔技术”和“中高压注浆”为基础的注浆锚固法塌方处理方案；②大管棚注浆超前支护［4-6］，该方法主要采用注浆大管棚辅以注浆小导管，对塌方体进行预支护，采用短进尺、分阶段开挖，对塌方体的支护做到随挖随支；③单排超前小导管注浆预固结［7-8］，该方法采用超前小导管对塌方体进行预固结，使塌方体与注浆小导管形成结合体，增强抵抗隧道顶部塌陷荷载及冲击荷载的能力。注浆锚固法采用的“非套管成孔技术”是方案成败的关键，在松散岩层中尤其塌方体内容易造成塌孔，往往导致方案无法顺利实施。大管棚注浆超前支护（小导洞法）采用注浆大管棚辅以注浆小导管，适合于处理大断面大塌方洞段，且技术较为复杂，成本较高。单排超前小导管注浆预固结法与本文所提方法较为接近，但对于松散破碎且塌方体沿洞轴线方向发展范围较大的洞段，存在一定的局限性：①若超前小导管仰角较小，则起拱线以上塌方体注浆固结厚度有限，无法形成一定厚度（深度越浅，厚度越小）的固结体为上部提供足够的承载力；②若超前小导管仰角较大，虽可在起拱线以上形成足够厚度的固结体，但考虑到施工的可操作性，在小断面隧道中因仰角大限制了钻孔深度，可能导致无法选用合适长度的超前小导管；同时，仰角大且塌方体开挖不断推进的过程中，随着开挖深度不断增加，小导管与洞顶设计洞挖线偏离变大，从而增加了开挖难度，并可能因小导管下方的固结体无有效支撑造成二次塌方。

为了克服以上方法的不足，本文针对小断面隧道软弱破碎围岩塌方洞段，结合TRT法诊断塌方体实际情况，并提出经过改进的“双排小导管注浆预固结+小导管钢支撑未扰动岩层组合体+预留核心土”处理措施，对洞内塌方体的松散渣体进行加固处理，进而安全快速通过塌方段。

1 TRT地质超前预报技术

TRT是隧道地震波反射层析成像技术的简称，该技术的基本原理为利用地震波遇到声学阻抗差异界面时，一部分信号被反射回来，通过高灵敏地震信号传感器接收反射的地震信号，分析隧道带开挖面岩体的性质，包括破碎带、软弱带、含水情况、断层等的位置及规模。反射系数公式如下：

式中：ρ1、ρ2分别为较破碎、较完整待开挖岩体的密度；V1、V2分别为地震波在较破碎、较完整待开挖岩体中的传播速度。

通过公式分析可知，地震波从低阻抗物质传播到高阻抗物质时，反射系数为正；反之，反射系数为负。

1.1 布置方法

TRT的震源和检波器采用分布式的立体布置方式，具体方法见图1。

图1 震源和检波器的布置方法

1.2 测试原理

通过锤击震源点，地震波产生的同时触发器形成触发信号发送给基站，基站下达采集地震波的指令给无线远程模块，并通过笔记本电脑存储传回地震波数据，完成地震波数据采集。仪器连接如图2所示。

图2 TRT地震波采集系统模型

1.3 成果解析方法和原则

TRT成像图采用相对解释原理对数据进行分析，所有数据分析均是根据相对背景值，通过与背景区域值的偏离情况，确定待开挖岩体异常区域的地质情况。通过对软件进行设定，将围岩采空区域、含水区、破碎、裂隙情况作为背景值，呈深色显示，与背景值相较为硬质岩石时呈浅色显示比较，判断隧洞塌方体具体范围（见图3～4）。因待开挖岩体较塌方体明显密实且不存在空腔，因此可准确判断隧洞塌方体的具体范围。

图3 三维成像-侧视示意

图4 三维成像-立体示意

2 塌方处理方法的改进

针对以往隧道塌方处理采取的传统方式，本文采用“双排小导管注浆预固结+小导管钢支撑未扰动岩层组合体+预留核心土”的处理措施，即结合小导管注浆固结渣体、小导管钢支撑未扰动岩层组合体支撑结构、预留核心土3种方法建立三重保障体系，实现安全、快速处理塌方体。通过TRT地质超前预报技术探明塌方体情况，明确塌方体沿洞轴线的延伸长度，进而确定处理范围和处理工艺。

第一排小导管主要起注浆固结作用，对起拱线以上的塌方体进行固结，因塌方渣体空隙较大，同时为了节约注浆量，采用较低的注浆压力和较高的注浆浓度，这种方式对浆液的流动性要求不高（只需保证施工性能）。通过间断注浆和添加速凝剂等手段，加快浆液的凝固，提高封闭孔隙的效果。因注浆压力较小，塌方体空隙较大，浆液基本无法流入高于注浆孔的空隙位置，因此通过施工仰角较大的第一排小导管对其进行注浆，固结下部渣体及封闭第二排小导管之间的空隙，防止松散土体通过第二排小导管之间的空隙掉落而发生二次塌陷。

第二排小导管主要起支撑作用，通过注入浓度较高的浆液，增加小导管的刚度，对小导管以上渣体进行有效支撑，提供第二重保障。

此外，在开挖过程中通过预留核心土对起拱线以上的塌方体进行支撑，从而形成第三重保障。

3 工程应用

3.1 工程概况

LGS隧道位于四川西部地区，隧道长约3 750m，平均埋深170m，主要采用钻爆法施工，洞径尺寸为3.0 m×2.5m。隧道岩体较破碎，完整性差，属Ⅴ类围岩。

3.2 TRT法检测分析结果

通过对TRT数据资料进行分析处理，得到检测分析成果，如图3～4所示。

由图3～4可知：K0+459 m处为目前塌方面，在K0+455 m处附近出现浅色正反射，推测K0+455 m位置附近为掌子面，塌方段在洞轴线方向延伸范围为引K0+459 m～K0+455 m，延伸长度约4 m。

3.3 处理方法

（1）探明塌方体情况。通过TRT地质超前预报技术探明塌方体情况，明确塌方体沿洞轴线的延伸长度为4 m，确定处理范围。

（2）钢支撑加固。在掌子面渣体后方具备施工条件的位置进行钢支撑支护施工，钢支撑安装前清除底脚浮渣，拱脚有一定的埋置深度，并落在牢固基础上。钢支撑定位后打锁脚锚杆，均衡分布。

（3）塌方体混凝土封闭。因塌方体渣体松散，直接注浆会出现浆液沿渣体表面流失，内部浆液不密实等情况，因此注浆前需采用C20喷混凝土对整个掌子面暴露的渣体面进行封闭，喷混凝土厚度为20 cm，从而确保后续的预固结注浆效果。

（4）超前小导管造孔。采用YT28气腿式凿岩机造孔，施工前测量队按照设计尺寸在掌子面绘出开挖轮廓线，并在开挖轮廓线上按设计间距定出小导管中心位置，标出钻杆方向。钻孔时采用普通钻杆，钻头采用直径Φ50 mm钻头。钻孔时严格按定出的孔位进行，施钻过程中及时观察钻杆方向及外插角度，当发现方向及外插角偏差较大时应予以调整，以保证钻孔按设计要求完成，便于小导管起到预期的支护效果。

钻机工况以及实际成孔难度可能会带来两个问题，一是塌方段渣体松散不易成孔；二是采用手风钻直接带无缝钢管钻进，但由于手风钻工况限制难以满足4 m以上的钻进深度。基于以上两点，应先利用钻机将Φ25 mm钻杆带Φ50 mm钻头打入设计深度，后再将Φ42 mm小导管套钻杆安装到设计深度。塌方处理纵剖面如图5所示，不同部位超前小导管选用规格及施工参数如表1所示。

表1 超前小导管选用规格及施工参数

图5 塌方处理纵剖面

新掌子面钻孔的目的在于注浆固结开挖轮廓线以下的渣体，即固结起拱线以下的渣体，故新掌子面的钻孔最佳水平布置为水平钻孔。在起拱线以上的钻孔的目的在于使小导管与注浆体成为整体，形成有效支撑上方松散岩体的壳体。起拱线以上采用渣体钻两排孔，分别为第一排钻孔和第二排钻孔，其中第一排钻孔的仰角（20°）大于第二排钻孔的仰角（5°），第一排钻孔的深度大于第二排钻孔的深度，根据sin 20°/sin 5°=3.92的计算结果可以看出，仰角大小对于固结厚度具有明显影响。考虑到施工的可操作性以及起拱线以上第二排钻孔在注浆后的辅助支撑作用，加上起拱线以上第一排钻孔的深度大于第二排钻孔的深度，使得小导管有足够长度深入未被扰动的前方岩体中，以提供足够的承载力。

（5）小导管制作及安装。超前小导管采用壁厚3.5 mm、外径42 mm的热轧无缝钢管制成，并在小导管前部钻注浆孔，尾部焊上Φ6.5 mm加劲箍，管壁四周钻孔径Φ8mm的压浆孔，孔间距20 cm，呈梅花型布置，前端加工成锥形，尾部预留长度不小于30 cm，作为不钻孔的止浆段。

通过锤击打入或钻机顶入进行小导管安装，小导管尾部与钢支撑焊连，完成后及时用高压风将钢管内的砂石吹干净，并用麻丝或锚固剂等塑性材料封堵孔口及周围裂隙。

（6）注浆。注浆主要分两个部位进行实施，一是起拱以上超前小导管注浆，以固结洞室上部渣体为目的；二是起拱以下渣体固结注浆，作为“预留核心土”为上部塌方体提供支撑，有利于后续的洞挖施工作业。注浆应参照固结灌浆施工规范，注浆浆液浓度由稀到浓，逐级变换。

（7）出渣。待浆液达到一定强度后进行出渣，出渣分步分次进行，每次出渣进尺为50 cm，出渣分为两步，首先机械配合人工清除两侧及顶部少量渣体，以便钢支撑的安装；待钢支撑安装完成后，再清除中间预留的核心土。

4 结 论

对于软弱破碎洞段的较大塌方体，考虑到灌浆施工工艺要求严格、耗时长、浆液耗材高及客观条件限制的原因，很难通过注浆形成具有足够强度的壳体。本文提出了通过将超前小导管前端打入未扰动岩体一定长度，后端与支撑架相连，并对超前小导管进行注浆，对起拱线位置的空隙进行填充和封闭，形成有效支撑上方松散岩体的拱形壳体，实现利用小导管钢支撑未扰动岩层组合体对隧道顶部塌方体进行支撑，辅以固结体所形成的“拱”的自身应力作用，进而快速有效进行塌方处理。通过在隧道工程现场实际应用，验证了所提方法具有技术简单、操作性强、成本较低、安全有效的特点，加快了施工进度并降低了施工安全风险，尤其适用于小断面隧道软弱破碎围岩严重塌方段。