万坝水库联通隧洞冒顶塌方原因分析及处理

赵 杰

（贵州中水建设管理股份有限公司,贵州 贵阳 550000）

0 引言

万坝水库工程联通隧洞由于受地形条件和枢纽布置限制,隧洞轴线与岩层走向夹角较小,岩层倾角为缓倾且为软岩,根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）划定围岩分级为Ⅳ、Ⅴ类,Ⅳ围岩稳定评价为不稳定,围岩自稳时间很短,Ⅴ类围岩极不稳定,围岩不能自稳。项目实施过程中,由于水利工程小断面短距离隧洞一般一期支护后较长时间才能进行二期混凝土永久衬砌,因此一期支护稳定往往是控制施工安全的重点,冒顶塌方事故一般发生在一期支护。本文针对特殊地质条件下水工隧洞的一期支护设计及隧洞冒顶塌方原因分析,提出相应的处理方案及建议。

1 工程概况

万坝水库位于德江县沙溪乡黄泥溪上游,为马蹄河左岸支流,属长江流域乌江水系。水库正常蓄水位1173 m,校核洪水位1174.24 m,总库容108.3 万m3,工程等别为Ⅳ等,工程规模属小（一）型。工程设计内容包括水源工程和供水工程两部分,主要建筑物有主坝和副坝,主库开敞式溢洪道,主库与副库联通隧洞,取水兼放空建筑,加压泵站、输水配套建筑等组成。联通隧洞进口底板高程1163.0 m,过流断面为直径D=3.0 m 圆形断面,底坡坡率6.45‰,联通隧洞设计总长L=310.0 m,校核工况下最大设计过流能力14.6 m3/s。

2 联通隧洞一期支护设计

2.1 工程地质条件

联通隧洞地层岩性为志留系中上统韩家店群（S2-3hn）灰绿、紫红色薄至中厚层粉砂质泥岩。隧洞长L=310.0 m,隧洞由进口段、洞身段,出口段组成。进口段桩号为0+000.0～0+030.0 m,隧洞轴线与岩层走向夹角约8°,岩层视倾角15°左右,洞室埋深0～12 m,该段位于强风化至弱风化岩体中,岩体较破碎、节理裂隙较发育,整体稳定性较差,局部处位于地下水位以下,根据围岩工程地质分类标准,该段隧洞围岩类别为Ⅴ类。洞身段桩号为0+030.0～0+257.0 m,隧洞轴线与岩层走向夹角约2°,岩层视倾角12°左右,洞室埋深12 m～66 m,隧洞位于微新岩体中,节理裂隙少量发育,整体稳定性一般,该段位于地下水位以下,在洞室开挖中可能产生坍塌及涌水,该段隧洞围岩类别为Ⅳ类。出口段桩号为0+257.0～0+310.0 m,隧洞轴线与岩层走向夹角约2°,岩层视倾角14°左右,洞室埋深0～19 m,该段位于强风化至弱风化岩体中,岩体较破碎、节理裂隙较发育,整体稳定性差,局部处位于地下水位以下,在洞室开挖中可能产生坍塌及涌水,该段隧洞围岩类别为Ⅴ类。

2.2 隧洞一期支护设计

本工程隧洞围岩岩性为粉砂质泥岩,单轴饱和抗压强度Rb=22.3 MPa,稳定性较差（Ⅳ类、Ⅴ类）,且地下水位高,开挖后暴露空气中软化速度快,强度降低。根据隧洞地下部分各段埋深、围岩分级及物理力学指标,一期支护采用喷混凝土、挂网、系统锚杆,钢支撑等刚性支护,紧跟开挖面及时支护。Ⅳ、Ⅴ类围岩一期支护设计均采用锚喷支护+钢支撑结构形式,喷C25 混凝土14 cm（与工字钢齐平）,钢支撑型号为14#工字钢（排距0.5 m）,Ф22 系统锚杆（长L=3.0 m）,正三角形布置,间距3.0 m。

图1 隧洞纵断面图

图2 支护设计图

2.3 隧洞冒顶塌方原因分析

本工程雨季施工时间较长,地下水水位较高,里程0+052～0+060 m 洞身段顶拱发生冒顶塌方,地面形成一个直径4 m,深3 m 的地表塌陷,洞内掌子面被覆盖,分析隧洞冒顶塌方主要由以下原因构成：

2.3.1地下水丰富

本隧洞冒顶塌方段施工期为汛期,暴雨后地下水丰富,粉砂质泥岩软化,随着地下含水量的不断增加,外水压力增加与岩体抗剪参数降低多方面不利因素组合,致使暴雨后隧道出现坍塌的可能性较大。

2.3.2施工方法不合理

由于隧洞尺寸较小,采用钻孔爆破开挖,施工时装药量偏大,断面超挖严重,对围岩稳定扰动大；施工时开挖较长距离均未进行一期刚性支护,围岩自稳能力差,断面底部积水未及时抽排,进一步软化基础；同时由于大量超挖,钢支撑支撑悬空未紧贴顶拱岩面[1],施工时未进行缩脚锚杆固定钢支撑,钢支撑未能与围岩成一个整体分担围岩压力,导致围岩进一步松弛,围岩压力增大,使钢支撑后期变形严重。

2.3.3隧洞变形监测缺失

在隧洞冒顶塌方发生前,冒顶塌方部位围岩往往会发生较大位移变形,本工程未根据规范要求加强对围岩的监控量测,未根据“岩变我变”的原则实施动态管理,致使支护参数与施工方法不及时调整；此外,施工作业人员的安全与质量意识差,对于施工中可能存在的安全风险认识不足等,也是导致隧道坍塌的重要原因。

图3 隧洞坍塌现场照片

图4 工字钢变形严重

2.4 隧洞冒顶塌方处理方案

地表警戒→地面冒顶区域搭盖雨棚→雨棚周边做截水沟→洞内冒顶塌方掌子面喷C20 混凝土（20 cm）→长管棚+超前小导管注浆→洞内出渣→短进尺钢支撑+锚喷支护→地表陷坑回填夯实及防渗处理。其中主要施工工艺流程如下：

1）冒顶塌方临空面喷C20 砼（厚20 cm）封堵。

2）防止施工过程中上部松散岩土坍塌,保证施工安全,需设置超前注浆长管棚（辅以超前小导管）,注浆长管棚利用Φ100 潜孔钻,打设Φ95 的超前大管棚孔,沿拱部及边墙一定范围布置。

图5 管棚注浆工艺流程图

长管棚注浆参数设计如下：①水泥浆液水灰比（质量比）1∶1,水泥浆液与水玻璃浆液比1∶0.5（体积比）,其中水玻璃浓度为35 波美度,模数2.4；注浆压力建议值：初始压力0.5 MPa～1 MPa,终压2.0 MPa,根据现场灌浆试验调整。②注浆结束后采用M10 水泥砂浆充填钢管,根据实际情况决定钢管内是否安装钢筋笼以增强管棚抗弯强度。③单根钢花管的注浆量根据以下经验公式估算：

式中：r为浆液扩散半径,取R=0.6Lo（Lo为钢管中心间距）；L为管长； 为注浆饱满系数,取0.85；η为空隙率,%。

3）从里程0+052 m 处开始向冒顶塌方方向顶拱120°范围内进行超前小导管注浆。

4）采用小型挖机清理封闭冒顶塌方断面的松碴,每清理60 cm 支立2 榀I16 型钢支撑封闭,圆拱腰部设4 排2.5 m 长Φ25 锁脚锚杆,焊接牢固,拱架间采用Φ22 螺纹钢筋相连,间距25 cm,拱架内外双层Φ10 mm@20 cm×20 cm 钢筋网,喷C20 填满钢支撑。

5）钢支撑变形较大使二期永久衬砌断面尺寸不够的部位, 需径向灌浆加固变形较大部位,提高围岩抗剪参数后重新凿除和锚喷支护处理。设计固结灌浆深度2.5 m,间排距2.0 m,初始灌浆压力0.5 MPa～1.0 MPa,根据现场灌浆试验调整。

图6 冒顶塌方处理后现场图

3 结论

（1）地下工程受目前地质勘察技术限制,在初步设计阶段不能完全掌握工程地质情况,施工阶段应做好施工地质详细勘察,设计应根据施工监测数据动态设计。

（2）对泥岩地层隧洞施工,尽量避免在汛期地下水丰富时段施工。

（3）隧洞施工应选择有丰富经验的施工班组,控制爆破质量避免对围岩造成较大松动,严格遵守相关规范,保证施工安全与质量。

（4）施工过程中应按规范短进尺开挖,及时做好锚喷支护,抽排地下水,防止围岩进一步松弛；对一期支护钢支撑,应及时喷早强混凝土填充钢支撑后空洞,保证钢支撑与围岩结合共同分担围岩压力。

（5）施工过程中应严格对隧洞变形进行监测,对变形较大部位及时提出预警,及时加固处理。