西南某水电站已开挖软岩洞段塌方原因分析及处理方案研究

苏 星，刘亚新，李忠爽

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

通常，中小型水电站的引水隧洞断面尺寸较小，施工期一般采用全断面爆破开挖并进行及时支护。在复杂地质条件如下（岩性多样且强度差异大、地质构造发育、地下水丰富），通过详细分类的Ⅳ、Ⅴ类围岩不稳定-极不稳定，在此条件下若开挖、支护措施不当，即便是小断面引水隧洞也极易发生塌方，导致工程进度延期、费用增加。近年来，学者们针对引水隧洞塌方洞段的原因以及处理措施进行了多方面的研究［1］，提出了许多宝贵意见，有效指导了工程施工，减少了工程事故的发生。但多数论文、专题的研究对象为开挖过程中发生的塌方，对已开挖、支护洞段的塌方处理研究较少。

以西南某水电站引水隧洞已完成开挖支护的塌方洞段为例，笔者对塌方原因进行了分析，阐述了处理的难点，提出了“超前固结+变形拱架处理+密排钢拱架+钢筋纵向连接+钢筋网内垫+喷射混凝土”的针对性处理方案，希望能为类似工程项目的施工以及塌方处理提供参考。

1 工程概况

西南某水电站工程位于四川省凉山彝族自治州的木里藏族自治县境内，为低坝日调节引水式电站，装机容量172 MW。水电站主要由闸坝、引水系统、地面厂房等三部分组成。引水隧洞位于河流左岸，有压隧洞长约11.06 km，洞径为8.5 m的马蹄形断面，纵坡降为2.062 1‰，平均水头为117.7 m。隧洞垂向埋深一般为150～400 m，最浅埋深约为撒洼沟过沟段65.0 m，最深处达590 m，水平埋深一般为320～850 m。隧洞沿线地形高差悬殊多达500～1 500 m。

隧洞区处于前山背斜和甲沟向斜NW末端，地质构造较为复杂，隧洞穿过规模较大的断层共有4条，分别为：基洼断层、撒洼断层、索根断层和曼念吉冈断层。岩体中随机发育小断层、挤压破碎带和层间错动带，层内揉皱、挠曲等褶皱现象也较发育，地下水在过沟段、断层带、裂隙密集带较活跃。隧洞沿线地层岩性多变、岩质软弱、构造复杂，围岩地质条件差。

该水电站引水隧洞设6条施工支洞、12个开挖作业面进行施工。引水隧洞各支洞控制段长度不等，视地层条件以及作业队施工进度而定，介于1.4～2.0 km之间。引水隧洞6号支洞控制段桩号为T9+650 m～T11+060 m，于2020年4月7日全部开挖完成，预留约50 m长度，从桩号约T9+700 m处向支洞口方向清基、底板基础浇筑以及底板、边顶拱衬砌。

2 塌方原因分析

2.1 引水隧洞塌方情况

2020年5月23日，引水隧洞已开挖并初期支护的洞段桩号为T10+510 m～T10+552 m段发生塌方，塌落体积约2 000 m3，未出现人员伤亡及机械设备损毁。堆积体呈半圆锥状，堵塞隧洞约70%的断面积，塌落体位于隧洞右侧。洞身变形，右侧边墙向结构线内侧方向内缩约0.75～1.5 m。初期支护钢拱架变形严重，锚杆及小导管被拔出，目测已基本失效。

2.2 塌方原因分析

由于引水隧洞长达11 km，各开挖洞段岩性、构造及地下水的条件均有所差异，因此施工过程中所采取的措施也有所不同。塌方发生后，为了及时总结工程经验，指导后续工程施工，现场对该洞段的塌方原因进行了调查分析。

（1）围岩地质条件差。塌方洞段在桩号T10+510 m～T10+529 m段地层岩性以薄-极薄层状板岩为主，局部夹炭质板岩，为软岩-较软岩；岩层厚度小，单层厚度为0.3～2 cm；岩层总体产状为近N50°E/SE∠60°，岩层走向与隧洞轴线呈40°斜交，随机裂隙发育。在桩号T10+529 m处发育有一条小断层，产状为N30°E/NW∠80°，两侧岩体揉皱强烈，岩体破碎-极破碎。在桩号T10+529 m～T10+552 m段，地层岩性为极薄层状板岩与砂岩互层，为软岩-较软岩；岩层厚度小，单层厚度一般0.2～2.5 cm；岩层产状N45°W/NE∠40°～45°，与隧洞轴线呈50°～55°斜交，层面结合较差，揉曲明显，岩体内随机裂隙发育。塌方洞段地下水以渗滴水为主，围岩总体破碎-较破碎，以Ⅳ、Ⅴ类为主，围岩不稳定，易发生变形破坏。

（2）地下水影响。该水电站工程区汛期降雨量大，且持续时间较长。地表水通过岩层层面、随机裂隙及断层等结构面下渗，隧洞出水受地表降雨补给。隧洞围岩在地下水的作用下，岩体及结构面的物理力学性质劣化，对围岩的稳定不利。

（3）施工影响。塌方发生时，工况为隧洞底板清基。由于底板浮渣清理较多，致使部分钢拱架底脚悬空，钢拱架在自重作用下对锚杆产生拉力，加之大型机械通行，在反作用下，一定程度上降低了支护的强度，构成了隧洞塌方的诱发性外部条件。鉴于此，建议后续施工在围岩较差的地段一次性清基长度不宜过长；钢拱架底脚及时回填密实或者沿隧洞长度方向上预先设一条宽度约20～30 cm的混凝土条带作为钢拱架的护脚。

（4）其他原因。隧洞开挖及初期支护完成后，在一段时间内进行应力重新调整，特别是地质条件较差的软岩、较软岩洞段顶拱及边墙会发生较为明显的蠕变。因此，围岩塑型变形不断扩展，加大围岩荷载，会导致原有初期支护不足，易产生坍塌。所以应保证已开挖洞段的巡视及监测频次，及时预警，以避免工程事故的发生。

3 塌方处理方案

塌方处理的流程一般是先对紧邻的未塌方洞段进行评价、分析，如需加固未塌方段，利用塌方段围岩暂时稳定的间歇时间进行施工，防止连锁塌方的发生，之后再处理塌方洞段。塌方洞段的处理方法很多，如固结灌浆、管棚法、钢拱架强支护等［2］。在工程中，一般都是多种方法组合使用，很少采用单一方法。塌方处理方法并不局限、也不固定于某种方法，应根据塌方洞段的特点进行分析，明确塌方洞段的难点，在此基础上选择合适的处理方案。

3.1 处理难度分析

不同于开挖过程中出现的塌方，引水隧洞已开挖洞段出现的塌方处理难度更大，主要表现在以下几个方面。

（1）塌方洞段为已开挖并进行初期支护的洞段。前期由于围岩条件差，支护强度较高，支护形式为：钢拱架+超前小导管+锚杆。系统支护的钢拱架和锚杆等钢构件较多且已发生变形或破坏，施工前需进行局部清理。

（2）塌方洞段上下游的围岩条件差，处理不当容易造成隧洞连锁变形，甚至出现连续塌方。因此需要对临近塌方段的已开挖、支护洞段进行及时处理，保证其稳定性，避免塌方进一步扩大，而且正值汛期，塌方洞段围岩有富水现象。

（3）根据现场的观察，塌方段上部空腔较大，空腔处时有松动岩块掉落，机械设备施工难度大，机械扰动容易导致空腔处二次塌方。

（4）6号支洞控制段上游发生塌方的洞段较长，由于洞径不大，不能满足多辆机械设备同时施工，短期内塌方处理难以完成，导致上游清基、衬砌浇筑均无法正常进行，严重影响施工进度，致使该段可能成为影响总工期的关键线路。因此需要选择合适的塌方处理方案以提高效率，减轻塌方造成的工期影响以及经济损失。

3.2 处理方案

根据现场揭露，引水隧洞洞段存在渗水的情况，如直接进行灌浆加固，效果较差，因而应优先处理渗水，在塌方影响段及塌方段边墙处均进行排水孔施工，排水孔孔深3 m，间距2.4 m。由于隧洞埋深较深，地表水渗流路径较长，渗水速率以及流量不大，排水后地下水补给存在一定的间歇期，间歇期具备灌浆条件。

（1）塌方影响段的处理。塌方处理前，对临近塌方的影响洞段进行处理。塌方影响段岩体已经产生一定松弛，不宜采用锚杆加固，喷浆仅能对表层加固起到效果，对于深层岩体效果不大，因此，应主要选用固结灌浆，对深层岩体进行加固；表层岩体选用加密钢拱架+喷浆的方法进行加固。从距塌方段10 m处向塌方段方向进行施工，短进尺循环向塌方段掌子面推进，防止塌方区扩大并为塌方段处理形成安全的施工作业环境。

（2）塌方段的处理方案。由于塌方段岩体破碎，且内部钢构件较多，超前小导管或者管棚施工较为困难，因而不予考虑，现场宜采用固结灌浆加强塌方段岩体的整体性。塌方段采用“超前固结+变形拱架处理+密排钢拱架+钢筋纵向连接+钢筋网内垫+喷射混凝土”的形式进行处理［3］，处理长度控制在0.5～0.8 m。施工工序为：破碎岩体固结灌浆→清理塌方体→处理清理出的变形拱架等钢构件→立钢拱架→纵向钢筋连接钢拱架→挂钢筋网→喷混凝土。空腔部位处理方式为：拱顶空腔高度小于2 m且围岩较稳定的情况下，采用副拱对空腔进行支撑。顶拱空腔高度大于2 m且存在掉块时，在拱架安装过程中预埋Φ108混凝土回填管，回填安装施工时应采用分梯级埋设。

重要施工工序如下：

①固结灌浆。将Φ42钢管加工成花管形式，单根长度设置为4.5 m或6 m，对塌方洞段进行全段面固结灌浆。固结灌浆钻孔外插脚按45°～60°控制，灌浆压力为0.5～1 MPa，注浆水灰比为1∶0.8；灌浆完成后等强时间不小于12 h。

②变形拱架处理。变形段主要发生在洞身右侧，洞身左侧原支护拱架较完整。在新增钢拱架安装完成后，采用气焊或电焊切割的方式割除原支护拱架的变形段。若具备工字钢下接条件的，可局部刻槽将原支护拱架下接至底板；若不具有拱架下接条件时，在原支护拱架割除端头部位，对L形锚杆进行施工锁定。

4 结 语

通过详细收集塌方段的地质资料，分析塌方原因并选择适宜的处理方案，项目方对西南某水电站引水隧洞桩号T10+510 m～T10+552 m的塌方段已进行成功处理，重新布置了监测点。监测数据表明，隧洞围岩仍有微弱变形，但变形量较小且在允许范围内。本文通过对西南某水电站引水隧洞塌方段的原因分析与技术方案处理，得出以下经验和结论供类似工程参考。

（1）对地质条件差的洞段，不仅需重视开挖过程中的初期支护，也应给予已支护洞段足够重视，保证已开挖洞段的监测频次，及时预警，避免塌方的发生。已支护软岩洞段随时间推移塑形变形区会不断扩展导致原有支护不足，需尽快完成永久支护或必要时不定期加强支护。

（2）处理塌方前，及时评估塌方影响段的洞室稳定，根据需要采取必要的加固措施，以防止影响段发生连锁变形而导致塌方洞段的长度及规模进一步扩大。

（3）已开挖洞段含有大量钢构件，不宜采用管棚施工，应采取短进尺循环施工，切割无用钢构件，保留局部有用的钢构件，有效降低工程成本。