水利工程中隧洞塌方的防治处理措施分析

李东飞

(葛洲坝新疆工程局有限公司，乌鲁木齐830000)

水利工程隧洞塌方的防治和处理是一个非常复杂且重要的工作，它与隧洞施工的质量和安全息息相关。隧洞塌方有塌方体厚度范围大的大塌方和不足以将隧洞堵塞的小塌方，有对人员及公共财产的损失造成不同程度影响的严重塌方和轻微塌方。我们处理任何一种塌方都不能掉以轻心，都要谨慎对待，并根据塌方的具体实际情况而采取合理的塌方处理措施。

1 造成水利工程隧洞塌方的主要原因

1.1 信息出入

目前没有可靠的预防处理技术措施应对软弱破碎带地层等不良地质，使得完工的隧洞不能承受足够的承载力以及可能出现的山岩压力而导致结构破坏，引起塌方。

1.2 成本控制

项目成本控制不同于简单、独立的施工管理，是对一个或多个工程建设项目的前期投资、中期建设、后期使用功能以及资金、工程进度、质量等多种因素所进行的综合的、宏观的协调和监控的过程。目前，工程建设项目的成本控制主要分为对施工前期的成本预测，施工过程的成本管理以及工程完工后的成本总核算3个部分。在水利工程设计时，没有重视一些附属的非主要的隧洞洞室，为了控制工程成本投入，而一味地设计过短的洞轴线，甚至常把洞轴线选在垭口最低处，这样随着隧洞施工的不断深入，洞口处开挖的深度和洞脸仰坡的高度就会越来越大，造成塌方发生。

1.3 地质因素

水利建设由于其地质条件的复杂性、水底环境的多变性、岩土体情况的不确定性和工程的隐蔽性等原因，使得岩土工程处理的对象极其复杂，这使得工程设计方案在施工过程中需要不断根据具体情况及时进行变更。原来水利工程的信息主要来自于工程现场，这造成了数据的不准确性、人为性及滞后性，再加上页岩本身的薄度和强度都较低，节理有裂隙，容易形成大的塌方冒顶。节理夹层风蚀下逐渐被软化形变，围岩受力环境遭破坏而致坍塌。

1.4 施工方法不当

主要表现为:在开挖、衬砌过程中，设置支护结构和支撑构件时出现了支护支撑强度过低或支撑的位置不当等这些不符合实际的情况，不得不拆除支护和支撑结构而引起塌方。虽然成本控制的理念已经深入到了许多施工单位的文件中，由于可以对成本控制中收集到的数据进行全面分析的配套的软件开发相对不足，所以导致了许多成本控制信息即使收集到位，也无法更加便捷地输出可使用的形式。其应用还处于初期。

2 隧洞塌方的预防工作

2.1 工程建设前做好项目评估工作

工程施工前，请相关部门进行施工可行性研究，得出项目的施工概率预算报告，控制好项目的管理进程和科学成本，合理配置资源。严谨、慎重地对建设项目的可行性进行研究，力求决策准确，真实，避免在决策项目建设时出现失误，在此基础上，可以保证建设投资的效益能够提高。

2.2 在隧洞施工中要准备好施工所需要的材料和工具

开挖隧洞时遵循“弱爆破、短进尺、勤支护”的原则，加强支撑支护，合理安排开挖进度和衬砌进度，搞好施工排水，这些措施对预防隧洞塌方起到重要作用。

2.3 抓好工程设计，控制成本预算

项目建设的过程中，成本的控制很重要，包括在工程项目的投资决策和设计等环节，都要做好成本预算。施工单位要求聘请专业的项目可行性分析公司，对项目的投资回收进行分析。这包括施工项目的进程设计，以及资金投入的时间、数量设计等，才能更有效地控制建筑工程造价，避免超标，功能过剩。

3 隧洞塌方处理

3.1 塌方处理原则

所谓“小塌清、先支后清”，就是指当隧洞塌方量不大时，将塌方的顶部支护牢固，确保洞顶不会掉块砸伤施工人员的情况下，将塌料全部清除的处理方法。所谓“大塌穿，先棚后穿”，就是指当隧洞塌方量很大又难以清除，对塌穴形状和大小无法查明时，可将塌方体看作松散破碎的岩层处理，先将塌方部位的两端用超前预灌浆大管棚、钢支撑联合支护的方法支顶牢固，最后通过对棚顶的构建来防止其坍塌。

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3.2 塌方处理依据

对塌方的正确认知，是处理塌方的前提条件。普氏平衡拱力理论为塌方的处理提供了一个理论依据。

前苏联学者普洛托雅克诺夫提出了一个理论:从松散介质中开挖隧道，隧道上方会形成一个高度为h=b/fk的抛物线的平衡拱。式中:b为平衡拱的跨度的1/2，m;fk是岩石坚固性系数，岩石fk=R/10，R为岩石的抗压极限强度(MPa)，取值时需考虑到岩体裂隙及节理的影响。

若隧道侧壁稳定时，平衡拱宽度就是开挖宽度，这时b=bt。

图1 自然拱宽度示意图

图2 侧壁不稳时平衡拱宽度示意图

若隧道侧壁不稳定时，平衡拱宽度为:

式中:Ht为隧道净高，m;bt为隧道净宽的1/2，m。

通过上述普氏平衡拱力理论分析自然拱的稳定性，确定塌方稳定后，方可对塌方进行处理。

3.3 处理方案措施

目前国内对处理隧洞塌方体通常采用管棚法、盾构法和台阶法3种方案。

2)盾构法:在隧洞地中将盾构机械逐渐推进，通过盾构机械的外壳和管片支承围岩来防止隧洞坍塌，同时用切削装置开挖土体，并用出土机械将土体运出洞外，千斤顶在后部顶进，并预制混凝土衬砌管片，形成隧道结构。

3)台阶法:在开挖隧洞塌方体分成上半部分和下半部分两次开挖，先开挖上半部分后开挖下半部分，也可先开挖下半部分后开挖上半部分。

4 工程实例

党顺水电站引水发电隧洞，位于青海省尖扎县，该隧洞的岩石成分主要是页岩、片麻岩并夹杂灰岩，属于Ⅳ及Ⅴ类岩石，节理裂隙的走向与洞轴线平行。洞形断面结构的平衡拱的圆弧半径2.7 m，洞墙壁的高度2.7 m，洞口宽度 5.4 m，洞内双层钢筋混凝土的衬砌厚度为40～60 cm。

塌方情况:该段在2008年6月2日开挖过程中产生严重塌方。坍塌松散体主要是碎片石渣，中间夹杂灰岩大孤石。经准确测量，该隧洞轴线长度约30 m，塌方松散体与掌子面夹角60°，拱顶以上宽度15 m，拱顶以上高度18 m。

塌方原因:

1)坍塌段的节理裂隙发育。

2)围岩成份是破碎且为极不稳定的Ⅴ类。

3)开挖不容易成洞，易坍塌。

4)地下水源丰富。

完工方案:建设单位对该段塌方采用的是管棚法加双液灌浆处理方案。在塌方处理过程中，先将塌方的松散体固结，同时将塌方松散体的顶部及边墙部位支撑固定，及时有效地预防再次产生塌方。

施工工序流程图见图3。

图3 施工工序流程图

塌方处理:

设计单位从隧洞的长期运行安全考虑，做了各方面的加强辅助工作:①加强了该段混凝土衬砌厚度、钢筋等;②因该段塌方高度较大，在洞顶上方山体容易形成空洞，影响隧洞的长期运行安全，设计单位从洞外用水泥砂浆、泥浆的混合液或泥浆进行灌浆填堵空洞;③该段混凝土衬砌时在边墙上预先埋上排水管，地下水可以通过排水管排出，这样减少水对管棚及钢筋的锈蚀。

该遂洞塌方经采取以上塌方处理方案，经过30 d处理，于2008年10月处理完毕，并获得了预期的效果。经过近1 a的观测，该段隧洞围岩结构较为稳定，位移及变形在规范要求时，已衬砌的混凝土部分未产生裂缝。

［1］甄耀祖，姚大雷.浅谈小型水工隧洞的塌方预防及处理［J］.四川水力发电，2008(A01):26－28.

［2］殷建军，李士明，蒋冲.某水电站引水隧洞塌方原因分析及处理措施［J］.资源环境与工程，2011(03):232－235.

［3］魏斌.广西南山水库输水系统8#隧洞塌方预防及处理［J］.陕西水利，2008(F07):32－33.