高家滩水电站引水隧洞塌方处理方案

滕少华

(怀化市水利电力勘测设计研究院，湖南■怀化■418000)

1　工程概况

高家滩水电站位于湖南省沅陵县境内的怡溪干流上，为引水径流式发电站。坝址控制集雨面积393 km2,多年平均流量11.5 m3/s。电站正常蓄水位125.0 m，额定水头15 m，装机容量4 MW，多年平均发电量1 450万kW·h，年利用小时约3 600 h。引水发电隧洞为有压式，由高家滩库内引水至弯道下游电站厂房，引用流量32 m3/s,坡降i=3.75‰，进口底板高程114.60 m，出口底板高程111.50 m，后接35 m长的压力钢管。Ⅲ类及以下围岩段隧洞开挖断面为马蹄形，顶拱直径4.8 m，底宽3.4 m，钢筋混凝土衬砌厚度0.4 m；Ⅲ类以上围岩段采用混凝土挂网喷护，隧洞全长825 m。在桩号K0+806～K0+814处设1个圆筒阻抗式调压井。

初设报告中，隧洞沿线出露地层为元古界板溪群五强溪组(Ptbn2w)灰绿色纹带浅变质砂岩夹纹带状板岩，其地质条件分段叙述如下：隧洞进口位于坝址上游左岸斜坡处，坡角40°～60°，边坡下部基岩裸露，岩体强风化至弱风化，岩层产状：N5°E，NW∠50°，与洞线交角约64°；边坡上部表层残坡积覆盖层厚0.5～3 m,强风化埋深0～4 m。 主要节理有： N85°W·NE∠70°，节理面较平直，延伸长1 m，4～6条/m；N2°E·SE∠45°，节理面较平直，闭合，延伸长2 m，2～3条/m。上述结构面组合可能构成不稳定岩体，属Ⅲ类围岩。洞身段岩层产状：N5°E，NW∠50°，与洞线交角约64°，表部残坡积覆盖层厚1～3 m，强风化埋深4～8 m，上覆岩体厚度大于50 m，围岩稳定性较好，属Ⅰ～Ⅱ类围岩。

隧洞出口位于坝址下游河流左岸斜坡，岩层产状：N5°E，NW∠50°，与洞线交角46°，表部残坡积覆盖层厚2～5 m；强风化埋深8～10 m。 主要节理有： N55°W·NE∠20°，节理面较平直，延伸长10 m，1条/m； N50°E·NW∠75°，节理面较平直，闭合，延伸长大于10 m，2～3条/m； N30°W·SW∠50°，节理面不平直，延伸长2～3 m。出口处岩石风化破碎严重，加之节理结构面组合可能构成大小不一的不稳定块体，属Ⅳ类围岩。

2012年4月12日，引水隧洞在下游方向开挖至桩号K0+704时，渗水量加大。当时没有引起施工单位重视，仅采取常规的柔性支护：φ20锚杆长2.0 m、间距2 m，喷射C20厚10 cm进行支护。随后渗水量逐步加大，顶拱出现围岩掉块现象。5月2日顶拱和左侧边墙发生大塌方，此次塌方事件一直持续到7月21日停止。塌方停止时，塌面长度增加至38 m，顶部通顶，高度近50 m。

2　塌方成因分析

地质条件、设计、施工一般是影响隧洞塌方的主要因素。对高家滩水电站引水隧洞塌方的成因进行综合分析，认为存在以下几方面的原因：

2.1　地质条件

隧洞塌通顶事故大多数发生在岩体的断裂构造带或风化强度高的岩层中。节理断裂现象在岩体中分布很普遍，由于断裂构造破坏了岩体的连续完整性，对水工建筑物的基岩稳定和渗漏都有很大影响，而且常起控制作用。断裂构造一般分为裂隙和断层两种：无明显位移的岩体裂缝称裂隙，有明显相对位移的岩体裂缝称断层。影响裂隙稳定性的因素是风化，尤其在水的作用下更如此。隧洞塌通顶后从顶部观察，就是由3条相互交错的节理裂隙软弱结构面组合构成了不稳定岩体，在山坡水流的不断浸蚀下，导致了垮塌。

2.2　设计因素

初设报告中所描述的地质条件与实际施工过程中遇到的情况相差较大。通过对实际地质情况分析，隧洞垮塌处局部围岩从Ⅲ类突变为Ⅳ类。在隧洞施工过程中，由于设计代表不在现场，施工与监理人员又未与设计人员及时沟通、交流，对该段围岩地质条件突变未能从设计角度及时提出设计变更方案和处理措施，未能及时采取加强支护及截排水措施。

2.3　施工因素

施工单位在开挖过程中，一是在发现渗水量加大，降雨时渗水量更大的现象没有引起足够的重视。特别是在隧洞垮塌处顶部山坡踏勘时，发现顶部山坡为1处山间洼地,有地表径流汇集，竟没有采取导排措施，任水流通过节理裂隙下渗至隧洞。在水的作用下，使岩石节理裂隙进一步软弱、泥化，使得原本稳定性就较低的这段围岩其稳定性进一步降低，最终导致塌方。因塌方体未及时清理，随着地表水流的持续浸蚀，塌方继续发展直至“冒顶”。二是施工方继续采用人工钻孔爆破开挖且装药量未按规范进行操作。同时，也未采取台阶法开挖支护等有利于围岩稳定的施工方法。

3　塌方的处理方案

恰当的隧洞塌方处理方案可以有效、快捷且较安全、经济；不恰当的方案轻则经济损失、重则人员伤亡。水工隧洞塌方冒顶的事故处理方法一般有三：一是地表距隧洞不深，采用清除塌方并加固洞壁的方法。具体做法是从上至下将塌方清至稳定的坡度，至基岩；然后边清塌方边锚固破碎的岩石，直至隧洞底部。该方案在方案选择时被提出，并考虑就其改造成调压井；但由于地表距隧洞过深、清理工程量大、不经济被否决。二是修改洞线。在能避开塌洞因素且修改洞线的工程量与处理塌洞工程量比不是太大的情况下，宜修改洞线。其好处是避开危险作业面，有利于人身安全；但高家滩水电站引水隧洞全长825 m，分别从进出口两端开挖，已接近贯通；如修改洞线，工程量较大，水头损失也会加大，故也不宜而放弃。三是在上述两个方法都不行的情况下，采用对塌方边掘进边加固，最后衬砌的方法。该方法的缺点是施工难度大、有危险、进度慢。该类方法中“管棚法”是处理中小型水利水电工程水工隧洞塌方最常用的方法。

管棚法通常将刚性支护和柔性支护结合使用。刚性支护通常具有足够大的刚性和断面尺寸，能承受强大的松动地压，常采用高强钢架紧贴围岩进行支护。柔性支护结构是按照现代支护理论提出来的，它既能及时进行支护，限制围岩过大变形而出现的松动，又能允许围岩出现一定的变形；所以它是适应现代支护原理的支护型式，其中锚喷支护方式是主要的柔性支护类型。喷混凝土层柔性大且与围岩紧密粘结，因此喷层主要是受压或受剪切，它比受挠破坏的传统支护更能发挥混凝土的承载能力。管棚法一般要求 “管超前、严注浆、短开挖 、不(弱)爆破、强支护、快封闭、勤测量、速反馈”的施工原则，在拱部超前小管棚注浆预固结围岩的保护下，采用二步法进行施工。高家滩水电站塌方处理基本采用以上原则，但又略有不同。

3.1　钢支撑支立

钢支撑在塌方处理过程中主要起两个作用:一是支撑管棚，以便于支撑塌方渣体，开挖成洞；二是加强塌方处理过程中的支护，以确保支护稳定。高家滩水电站塌方处理钢支撑采用2×120槽钢焊接成盒子支撑拱架，沿隧道轴线布置，间距0.6 m。

3.2　管棚制作安装

φ25钢筋沿隧道开挖面布置，焊接在支撑拱架上间距0.3 m，只布置侧面和顶面。高强度钢丝网片沿隧道开挖面满铺，范围同前。前两排管棚施工完毕后，用反铲逐渐向前扒上部石渣，露出下一排钢筋位置时，停止反铲扒渣，开始进行钢筋施工，超前支护。支护完成后沿顶面和侧面进行锚筋施工：锚筋采用φ25钢筋，长度2.5 m，间距1.2 m，向开挖方向偏角15°。注浆浆液采用纯水泥浆，水灰比为0.8∶1，采用5 MPa 注浆泵。在灌浆过程中，若出现长时间无压力，但吃浆量很大的情况，则说明出现跑浆现象，应该立即停止灌浆，选择附近的锚筋继续灌浆。为提高灌浆效果，加快施工进度，在水泥浆拌制过程中加入了膨胀剂、早强剂(见图1)；然后，以此为1个循环，向掌子面进行钢筋施工。

图1隧道垮方段支护断面示意

通常管棚法施工时会采用超前小导管，通过小导管注浆将塌方体固结。本次设计只采用了锚筋：考虑就利用工地已有材料，不新增钢管。锚筋注浆后，也能起到固结塌方体的作用。为提高固结效果，扩大浆液的扩散范围，采用了纯水泥浆。高家滩水电站38 m塌方段开挖共用了56 d，塌方段贯通后，再按原设计进行了钢筋混凝土衬砌。

4　结　语

采用 “管棚法”进行塌方处理，注浆将塌方隧洞顶面和侧面一定范围内的渣体均进行固结，坍塌体由原来的松散体变成了相对稳定的固结体，由原有的局部集中荷载改变为由壳体与管棚整体承担的均布荷载，使其在开挖过程中可以安全地进行相应的其他工序施工。此次塌方从开始至处理结束，整个施工过程较顺利。由于塌方，调压井外移至隧洞外厂房处。

隧洞工程施工应该尽可能地避免塌方的发生。若围岩地质条件差，应采用“短进尺，勤支护”的施工方案。遇到渗水量较大时，一定要高度重视，尽早衬砌确保稳定后，再继续隧洞的开挖推进。

参考文献：

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