引水隧洞塌方原因探讨及处理措施分析

左仁贵

【摘要】采用引水隧洞的形式，一方面能够缩短引水长度，有利于减少对良田耕地的侵占和对植被的毁坏；另一方面，地质条件良好的引水隧洞可少采用甚至不采用衬砌，这大大节省了修建隧洞的投资。且隧洞开挖所产生的石料也是一种宝贵资源，这对于造价与常规明渠相比相对较高的引水隧洞来说，是一种可观的经济回报。

【关键词】引水隧洞；塌方；处理措施

1、塌方的原因

某水电站位于某外纳乡至文县临江乡之间，引水隧洞布置，引水发电系统调压井前全长17.20491km，引用流量Q=260.5m3/s，为有压引水隧洞，纵向坡比为0.19%。引水隧洞为圆形断面，Ⅲ、Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土全断面砌衬，开挖洞径为11.5m、12.1m，衬砌后洞径均为10.5m，洞内流速3.01m/s；Ⅱ类围岩采用底部素衬及顶部喷混凝土衬砌，开挖洞径为12.5m，衬砌后洞径为12.2m，洞内流速2.21m/s。

2017年6月30日完成引2+850m～2+814m上半层（8.0m）开挖支护工作，9月18日完成引2+970～2+795下半层开挖（3.5m），上下半洞开挖支护完成相距49天。2017年8月22日18：00分引水隧洞引2+850m～引2+820m段顶拱发生连续塌方，随后受围岩应力释放，塌方进一步向上游侧延伸至引2+806m桩号且塌方高度持续增加，塌方段延洞轴方向共44m。塌方体上游侧引2+806m处塌方石渣将整个洞顶完全封死，从塌方体外侧看不到顶部空腔，塌方体下游侧引2+850m处塌方石渣将整个洞顶2/3高度完全封死，岩体塌落部位主要在隧洞顶拱右侧，塌落后形状呈锅状，经测量塌落高度距设计洞顶最大为16m，塌方体约3500m3左右。此次塌方区顶拱层面较平直光滑，且贯穿洞身四壁，这几组不利结构面在顶拱相互组合后致使右侧顶拱岩体沿层面发生顺层坍塌，从而引起塌方。

根据塌方位置不同，塌方可分为洞口（含洞口段）塌方、洞内工作面塌方、洞内工作面后塌方。文中主要论述最常见的洞内工作面塌方。从岩性来讲，有岩质类塌方、土质类塌方；从规模来讲，主要有顺层塌方、局部掉块。洞内石质类塌方的形成，主要因为隧洞爆破开挖后，周边处于悬空状态的岩石在下沉、收敛变形过程中，由于岩石中层理及切割性节理裂隙的存在，特别是正好揭露了软弱夹层时，悬空岩块在自身重力和周边挤压作用下，产生了下落和挤出的态势。

2、塌方的处理措施

2.1 塌方处置方案

经过多种支护方案比选后，最终采用钢支架管棚支护方案，如图1所示，其中图1（a）显示了沿着隧洞深度方向布置多榀钢支架管棚支护结构的侧视图，图1（b）为其中一榀钢支架管棚支护结构正视图。大体操作步骤為：

（1）从塌方起始段顶拱处，将钢管密布打入尚未发生塌方的破碎岩土体中形成管棚。（2）在塌方段洞口处尚未发生塌方的洞段一侧设置钢管支架，用于支撑步骤（1）中的管棚以及尚未发生崩塌、但稳定性较差的岩土体，从而形成一个临时性的整体支撑系统。该支撑系统以未崩塌岩土体和钢管支架为前后支点，钢管棚则能够遏制断层破碎风化岩土体的变形和塌方。（3）在临时支护系统形成后，可先对管棚下浮土和破碎岩体进行挖除，重复步骤（1）和（2），不断扩大、深入支护系统的范围，进而又可继续对破碎风化岩土体进行清除；如此循序渐进，直至完全通过破碎带。（4）在上述步骤实施完毕后，可全段或分段做永久性钢筋混凝土衬砌。实践证明，本工程所采用的钢架管棚方案能够有效地遏制塌方的发展，截至目前，历经十余年，仍然保持稳定。

2.2 塌方处理措施

主要流程为：预埋PVC导水管两处→施工平台搭设→掌子面封闭→超前小导管安装→超前小导管注浆（待强）→上半部开挖→上半部钢支撑安装→喷混凝土封闭→下一循环→塌腔回填。鉴于地下水局部呈线流状，采用单液浆凝结时间长，不能控制，随地下水漏浆跑浆比较严重，结石率低。故而考虑采用水泥水玻璃双液浆，控制在较短时间内达到固结阻水效果。而地下水压力随着固结阻水必然压力上升，故而采用沙袋+喷射混凝土（150mm厚）作为止浆墙。双液浆的主要参数如下：①水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；②水泥浆水灰比为0.8∶1；③水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.8；④水玻璃模数为3，浓度为40°Be.凝胶时间约为10min。注浆量的计算、超前支护的参数及开挖支护工艺同A塌方。

总之，该引水系统工程发生的最大塌方，塌方范围大、高度高，塌方的发生严重影响后续浇筑工作的开展，也成为如期实现目标的关键节点。该塌方段处理施工方案经过多次优化实施，有效保障了施工过程中的施工安全、提高了施工效率，缩短了工期，为电站如期实现目标创造了有利条件，对隧洞工程类似塌方处理具有一定借鉴意义。

参考文献：

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