汇泽园水电站引水隧洞塌方处理方案

孙长庆，宋宝生

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 基本情况

1.1 工程概况

汇泽园水电站位于河北省宽城满族自治县潘家口水库瀑河入口处，距县城21km。该水电站为无压引水式非洪水期日调节水电站，主要任务是引水发电。水电站主要由拦河坝、引水隧洞、厂区枢纽等部分组成，工程等别为V等，建筑物级别为5级。引水隧洞为无压洞，引水流量7.15m3/s，隧洞断面为圆拱直墙式，断面尺寸3.3m×3.7m，洞底纵坡1/1500，洞长2856m。汇泽园水电站于2001年7月8日动工修建，2003年3月24日建成发电。

1.2 隧洞塌方情况

2006年5月汇泽园水电站引水隧洞出现局部塌方，随即对塌方段进行清理，于2006年10月恢复发电。2007年6月隧洞中部又出现严重塌方，清渣过程中坍塌不断，导致隧洞顶部出现10m高的倒漏斗冒顶现象。塌落石渣填塞隧洞、阻断水流，塌方段上游积水2m多深，给隧洞塌方段处理带来很大难度。

2 隧洞塌方原因分析

汇泽园水电站引水隧洞支护型式分为衬砌段、喷锚段、素喷段和不衬砌段。隧洞塌方段位于隧洞中部，是不衬砌段即毛洞过水段，塌方堵塞段长约30m，隧洞断面被塌方石渣堵严，塌落最严重部位在洞顶以上呈10m高的倒漏斗形。

塌方段地貌为山谷，沟谷高程200m，该部位隧洞埋深约70m。隧洞塌方段围岩为薄层页岩，强度偏低，产状为走向近EW，倾向N，倾角60°，洞线方向为SW230°，与岩层走向斜交成50°左右。围岩节理裂隙发育，并有夹泥充填，该段围岩地下水丰富，洞内渗水随季节变化较大，塌方时正值雨季，地表水沿节理面渗入，洞内呈流线状。

根据工程地质条件经综合分析，隧洞塌方主要原因有：①隧洞塌方段围岩主要为薄层页岩，页岩强度偏低，节理裂隙发育，长期暴露岩石风化，裸露围岩由于掉块，失去三向受力状态，并逐渐扩大，以致形成大的塌方冒顶。②塌方段隧洞为毛洞过水，围岩经长期浸泡冲蚀，节理面夹层被冲蚀，围岩受力环境遭到破坏。③隧洞塌方段穿越沟谷，地势低洼，地下水丰富，外水沿节理面向洞内渗漏，冲蚀软弱夹层，随着节理夹层软化淘空，围岩受力环境被破坏并坍塌。

3 隧洞塌方段处理方案

3.1 塌方冒顶段处理

由于塌方段围岩强度低、岩石破碎，坍塌冒顶严重，除清渣、穿越时采取初期支护外，后期采用钢筋混凝土衬砌，衬砌总长40m，间隔10m设1道伸缩缝。

为避免二次扩挖带来的施工难度和危险性加大，在原设计毛洞基础上直接进行钢筋混凝土衬砌，衬砌断面型式为圆拱直墙式，衬砌厚度40cm，衬砌后隧洞断面尺寸2.5m×2.9m，直墙高2.195m，顶拱高0.705m，顶拱圆心角118°，衬砌混凝土强度等级C25，隧洞底部纵坡同原设计1/1500。待混凝土衬砌结束并达到设计强度的80%后，对隧洞以外塌落空间回填砂浆，顶拱砂浆回填厚度按1m控制。回填砂浆考虑在洞内顶拱部位预埋准100mm回填砂浆管，顺洞方向管距1.5m，管长按衬砌外1.2m和0.8m控制，砂浆回填按两序施工。衬砌隧洞顶拱预设回填灌浆孔，待砂浆回填结束并达到设计强度80%后，实施回填灌浆，回填灌浆按两序施工，设计灌浆压力0.3MPa。回填灌浆结束并经检查合格后打排水孔，排水孔孔径5cm。回填灌浆孔及排水孔深入围岩（衬砌结构外）分别为10cm和200cm，孔排距均为3m，每排设3孔，沿顶拱中心线对称布置，相邻夹角为50°，灌浆孔与排水孔沿洞线交替布置。

为保证塌方衬砌段隧洞进出口水流平稳，在衬砌段隧洞进出口底板及两侧边墙设置1∶4混凝土斜坡渐变段与相应部位毛洞顺接，渐变段混凝土强度等级C25。塌方段纵段见图1。

图1 隧洞塌方段纵断面图

3.2 围岩塌落段处理

隧洞沿线其他部位围岩由于风化和长期遭受地下水及洞内水流冲蚀，均有不同程度的坍塌，塌落范围和坍塌量将会逐渐扩大，应采取相应的支护措施。

根据围岩塌落情况并结合地质条件，对局部围岩塌落部位进行喷混凝土支护，有些部位视围岩具体地质情况增设局部锚杆或挂网。素喷混凝土厚度8cm，挂网时喷混凝土厚度10cm，喷射混凝土强度等级C25，锚杆长2m，锚杆间距0.7m。

3.3 塌方衬砌段水力复核

引水隧洞设计流量为7.15m3/s，利用分段求和法推求塌方衬砌段隧洞洞内水面线，并判断洞内净空面积及高度是否满足规范要求，分段求和法计算公式：

式中 △L1-2为分段长度（m）；h1、h2为分段始、末断面水深（m）；v1、v2为分段始、末断面平均流速（m/s）；α1、α2为流速分布不均匀系数，取α1=α2=1.0；θ为隧洞底坡角度（°）；i为隧洞底坡，i=tgθ＝1/1500；为分段内平均摩阻坡降；n为糙率系数，衬砌隧洞洞身取n=0.015，毛洞n＝0.035；为分段平均流速（m/s），=（v1+v2）/2；为分段平均水力半径（m），=（R1+R2）/2。

经计算，洞内最大水深为2.22m，最小净空面积为1.19m2，大于隧洞断面面积的15%，最小净空高度为68cm，大于40cm，衬砌后隧洞断面满足规范要求。

4 隧洞塌方段施工

根据隧洞塌方情况及塌方段地质条件，对隧洞塌方段施工方案提出以下几点建议。

4.1 排水

塌方段至隧洞进口有2m深积水，积水是由进口闸门漏水和洞内渗水造成的，出渣的第一步是排水。塌方段上游300m右侧有一原施工用斜井，建议利用斜井抽排洞内积水。

4.2 塌方段穿越

隧洞已运用4a多，表明洞室围岩有一定的自稳能力，为塌方段穿越提供了支护和衬砌时间。首先在塌方前沿对围岩进行喷锚，架设钢拱架。钢拱架间距控制在0.5m以内，拱架与围岩之间用背板塞填，避免架空现象，发挥钢拱架作用。随着清渣工作的进行，塌方段冒顶漏斗逐渐显露，建议施工中随清渣随喷锚，必要时对此段围岩进行挂网，此时喷锚应及时支护，喷混凝土须采用早强水泥，锚杆采用药卷锚固剂。

4.3 加强围岩观测

施工过程中派专人对隧洞围岩变形定期进行观测，发现异常及时采取措施或撤离，确保施工安全。应在隧洞顶部、拱肩及冒顶部位设置观测点，每天定时观测，及时分析围岩变形速率，如速率增大，应加强支护或安全撤离。

4.4 分段施工

根据对围岩观测情况的综合分析，围岩自稳时间如不能保证全段贯通再衬砌混凝土时，施工时应清理一段，衬砌一段，以满足围岩自稳时间短的条件限制。

5 结语

（1）软弱围岩水工隧洞开挖后应进行支护，并根据围岩情况选择适当的衬砌型式，不宜采用毛洞直接输水，以免引起塌方，造成再处理的难度和费用增加，影响工程效益正常发挥。

（2）隧洞塌方段处理应清理一段，支护一段，小塌方是大塌方的开始。隧洞支护是发挥围岩的自承作用，确保其受力环境和状态。

［1］SL/279—2002，水工隧洞设计规范［S］.

［2］TB/10003—2005，铁路隧道设计规范［S］.

［3］段乐斋，水利水电工程地下建筑物设计手册［M］.成都：四川科学技术出版社，1993.

［4］高大钊.岩土工程手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，1994.

［5］DL/T50—99，水工建筑物地下开挖工程施工技术规范［S］.

［6］GB50086—2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.