盖下坝水电站引水隧洞塌方施工处理技术

张明高

(重庆中环建设有限公司 401120)

1 引言

水电站引水隧洞修建过程中，塌方是最为常见的安全事故之一，会造成工期延误和生命财产损失，是隧洞运营的一个重要安全问题。盖下坝水电站引水隧洞全长6561.95m，圆形、城门形两种断面，圆形开挖断面半径为3.6m，城门洞形开挖断面为8.06m×5.9m。引水隧洞在施工引5+206～引5+243段，出现塌方事故。

2 塌方原因分析

2.1 塌方概况

引水隧洞引5+206～引5+243段顶部均有不同程度的塌方，塌方高度为0.5～4.5m不等，其中引5+233～引5+243段塌方最为严重，塌方高度达到4.5m。隧洞工作面施工至引5+243处，准备对引5+240～引5+241段进行喷射混凝土施工时发现:拱部及左侧开始不断掉碴，遂当即停止施工，撤出洞内的施工人员和施工设备并安排专人对该处塌方情况进行观察，6h后拱顶及开挖面正前方发生大面积塌方，塌体封堵了该段隧洞，塌方范围估计为引5+237～引5+245段，见图1。

2.2 塌方机理分析

研究表明，影响隧洞围岩初期稳定性的主要因素有地层岩性、地质构造、原岩应力场、地下水、开挖工艺方法与支护体系等。

2.2.1 地层岩性因素

图1 引5+240～引5+241段塌方状况

根据地层实测资料，引水隧洞塌方段岩性为灰色三叠系上统须家河组(T3xj)含煤地层，以中粒至细粒薄层砂岩、粉砂质页岩、页岩和炭质类岩层交叉互层，煤层呈猪肠状分布，岩层走向N65°，E＜17°，岩层走向与洞轴线成67°夹角斜交。岩石松软破碎、砂岩呈碎块状、页岩和炭质类岩石多呈粉状，遇水会呈泥石流状，岩层层间黏结力弱，稳定性差，极不稳定，属Ⅴ类围岩。

2.2.2 地质构造的影响

工程区属川东弧形褶皱构造带［1］，局部强烈褶皱，小断裂、节理裂隙发育。塌方段节理发育，纵节理发育胜于横节理，薄层砂岩和粉砂质类岩石呈破碎块状断裂、软弱松散岩层多呈粉状、相互无结合力;节理走向与洞轴线成 30°～40°夹角，倾角 20°～35°，且 70%以上的节理长度超过10m，破坏了岩石结构，这对隧洞围岩稳定极为不利。见图2。

图2 引5+243～引5+258段地质剖、断面

2.2.3 地下水的作用

在坍塌段上方对应的地表有一深沟，常年有水，属富含水层，也是地表水汇集场所;根据构造特点，塌方段节理裂隙发育，节理裂隙是地下水储存和运移通道，开挖后，地下水就失去屏障，立即渗入洞内，直接冲刷、软化软弱岩体和层间夹层，是促使塌方生成的润滑剂和助推剂。

2.2.4 开挖工艺方法对围岩的扰动

隧洞采用的是爆破开挖方法。不同地应力水平下，岩体开挖的瞬态卸荷作用对围岩的影响各不相同，当地应力较低时，开挖荷载瞬态卸荷对围岩的损伤较小，当围岩处于高地应力水平时，开挖荷载瞬态卸荷对围岩的损伤较大［2］。由于本段处于高应力集中区，爆破后瞬间卸荷，围岩应力向临空面释放，使临空面附近节理处应力突然集中，达到节理面断裂强度，促使裂隙逐步扩展，直至贯通，使塌方随时可能发生。

2.2.5 支护体系的缺陷

综上所述，塌方段处于软弱地层、节理及小断裂破碎带，岩体切割破碎，结构松散，这是不利于围岩稳定而形成坍塌破坏的主要原因;层间黏结力较低，自承能力差，自稳时间短;未采取超前注浆固结主动支护措施，不能有效阻止围岩的变形，围岩松动圈不断扩大，以致初期支护无法承受扩大后松动圈范围内松散岩体的压力，造成隧道结构失稳而塌方。

3 引水隧洞塌方处理技术

3.1 塌方处理方案

该段顶板压力极大，拱部塌方短时间内不能稳定，坍塌岩体封堵隧洞。根据业主和监理方要求，对该段塌方不做物探，为确保施工的安全并结合项目的进度计划安排，采用以下施工方案［3－7］:

引5+233～引5+243段钢筋混凝土薄衬→喷射C20混凝土对塌体进行封闭→套拱制作、安装→施作管棚、注浆→塌腔周围岩体注浆固结→I20b工字钢钢架支护→塌体注浆固结→壁后回填灌浆。

3.2 隧洞塌方处理技术

3.2.1 混凝土浇筑安全区

为确保在管棚施工时有一个安全的作业空间，防止塌方向后延伸，首先进行引5+233～引5+243段混凝土浇筑，并将管棚尾部固结在混凝土中(混凝土厚300mm，单层钢筋，见图3)，使之成为一个支点，并形成整体，以增强管棚稳定性。

3.2.2 工作面的支护及处理

图3 钢筋布置及混凝土断面示意图

塌体封堵整个隧洞，管棚施工在塌体中进行，为确保管棚施工期间的安全，采用喷射C20混凝土，厚150mm封闭塌体(并根据现场需要，铺设钢筋网片，网片采用Φ8钢筋加工，网格尺寸20cm×20cm)，并以此作为管棚注浆的止浆墙。

3.2.3 管棚施工

管棚采用T76s自进式锚杆施工，长度15m，由3m、6m的若干管节组合而成，节间通过联结套联结。为保证T76s杆体满足受力要求，相邻T76s杆体的接头前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。为使T76s杆体接头错开，编号为奇数的第一节钢管采用3m T76s杆体，编号为偶数的第一节钢管采用6m T76s杆体，以后每节钢管的长度为6m，避免T76s杆体接头在同一断面上。管棚环向间距25㎝，单层布设，管棚外插角为5°，见图3。

为便于注浆，对T76s自进式锚杆进行了改进，即在杆体上增加Φ6mm注浆孔，间距为1m，改进使用过程中，实现了全段出浆，注浆后进行钻孔检验，沿管体达到了固结作用。

3.2.4 塌腔周边岩体固结注浆

为防止塌腔上方及周围岩体继续坍塌，减小拱部松碴压力，在隧洞内选择一适当位置(由钻孔距离和操作空间确定)打孔，对周边岩体和塌落体进行固结灌浆;塌腔周边岩体注浆具体技术措施及规程均满足规范施工要求。

3.2.5 小导管超前支护

在塌方清除前，在工作面施工超前小导管并注浆，超前小导管环向间距0.3m，长度2.5m，采用迈步式施作，有效支护长度1m，每安装2榀拱架(1m)施工一环超前小导管，超前小导管从起拱位置开始布设。超前小导管注浆压力控制在0.5～0.8MPa以内。

3.2.6 塌体清除

管棚注浆和钢筋混凝土完成后，按照由外向内、从上到下的顺序清除该段塌体。清除过程中，时刻注意顶板动态，遇有险情，立即撤除人员到安全地点(已做永久支护段或洞外)，确保作业人员安全。

3.2.7 塌体固结注浆

为防止拱部岩体继续坍塌对混凝土拱部产生较大的冲击压力，必须对拱部坍塌的松散岩体进行注浆固结，在混凝土背后形成缓冲层。对塌体固结采用每向前架设1m临时支架后，立即采用喷射混凝土封闭(喷射混凝土厚20cm)，并环向施工钢花管注浆固结塌体，注浆压力控制在0.8～1.0MPa以内，钢花管采用Φ50无缝钢管加工，钢花管长5m，间排距0.8m×0.8m，梅花型布置，见图4。

3.2.8 壁后回填灌浆

考虑到注浆会增加顶板压力，必须对该塌方段前后20m段采用钢筋混凝土支护，支护完成后立即开始回填灌浆施工，注浆压力控制在0.5MPa以内。注浆孔布置在边墙及拱部，按梅花型布置，有利于浆液扩散充实岩体。双浆液配合比为水玻璃∶水泥∶水=1.0∶2.11∶0.6，水玻璃波美度为40°Bé。注浆孔深度为5m，用风钻施工，钻孔采用 Φ50钻头，间排距0.8m×0.8m，梅花型布置，成孔后预埋Φ42注浆管，注浆管上钻Φ12mm浆液扩散孔，孔距纵向10cm，呈梅花型布置，注浆管与软管采用细铁丝绑扎。

图4 固结注浆钢花管布置示意图

4 施工安全

4.1 安全制度

项目部成立塌方处理安全领导小组。在处理过程中，严格执行安全培训上岗、班前安全会制度，实行交接班制度，落实全员安全责任制，实施专职安全员制度，制定定期检查制度，执行资料成果积累分析与临时事故分析制度。

4.2 安全措施

安全主要措施主要有:对引处塌方段，每天必须派专人观察，并作好记录;保证作业面往洞口方向的道路畅通，派一名专职安全人员观察顶板情况，若发现险情，及时向洞外撤离;塌方段施工时做好顶板变形监测、观察工作，若发现顶板有掉碴或不稳定迹象，立即撤离危险区域，采取安全措施后再恢复人工清矸或其他工作;实行领导现场跟班制度，加强督促和检查;注重水文地质观测、资料收集、整理和分析，为塌方处理提供可靠地质依据。

4.3 安全监测

通过现场监控量测，及时反馈监测信息，指导隧洞施工，为隧洞安全和优化设计施工提供技术支持;根据日常量测、掌子面观测、工程特点和地质情况，结合监测有关参数，采取合理支护结构形式、支护参数和二次衬砌支护时间;对围岩稳定性及时复核和确定，并迅速反馈至设计施工中，提高施工的安全性和经济性;根据施工监控结果，对施工中可能出现的异常情况进行预报，以保障施工安全。

5 结语

三峡库区盖下坝水电站引水隧洞中发生的塌方，采用钢筋混凝土浇筑→喷射C20混凝土对塌体进行封闭→套拱制作、安装→施作管棚、注浆→塌腔周围岩体注浆固结→I20b工字钢钢架支护→塌体注浆固结→壁后回填灌浆的综合处理方法，并且在施工安全措施严格执行保障下，隧洞顺利通过了软弱地层、节理破碎带。由于处理及时、迅速，未发生安全事故，6个月后顶板监测结果显示，没有下沉、位移等现象。实践表明，该处理方法是行之有效的，并取得了好的效果，此方案可供类似工程实践参考。

1 秦胜伍.三峡地区地质环境演化分析［D］.吉林:吉林大学硕士学位论文，2006.

2 陈明，卢文波，等.爆破开挖扰动对深埋隧洞围岩损伤区的影响研究［J/OL］.中国科技论文在线，2011［2011-9-25］.http://www.paper.edu.cn/index.php/default/releasepaper/content/201103-223.

3 陈秋南，张永兴，等.关口娅隧道塌方处理及效果分析［J］.工程地质学报，2005(3).

4 侯仁坤，卢其波.瓦屋山水电站引水隧洞II标V类围岩段施工技术探讨［J］.四川水利，2007(6).

5 高志敏，张广亮，等.小湾水电站1号尾水出口闸门井壁塌方原因分析及处理措施［J］.施工技术，2007(11).

6 曹振中，张俊伟.寺坪电站引水隧洞坍塌冒顶综合处理施工技术［J］.人民长江，2008(1).

7 孙长庆，宋宝生.汇泽园水电站引水隧洞塌方处理方案［J］.水科学与工程技术，2010(3).