引水隧洞塌方原因探討及處理措施分析

左仁貴

【摘要】采用引水隧洞的形式，一方面能夠縮短引水長(zhǎng)度，有利于減少對(duì)良田耕地的侵占和對(duì)植被的毀壞；另一方面，地質(zhì)條件良好的引水隧洞可少采用甚至不采用襯砌，這大大節(jié)省了修建隧洞的投資。且隧洞開挖所產(chǎn)生的石料也是一種寶貴資源，這對(duì)于造價(jià)與常規(guī)明渠相比相對(duì)較高的引水隧洞來(lái)說(shuō)，是一種可觀的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

【關(guān)鍵詞】引水隧洞；塌方；處理措施

1、塌方的原因

某水電站位于某外納鄉(xiāng)至文縣臨江鄉(xiāng)之間，引水隧洞布置，引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)壓井前全長(zhǎng)17.20491km，引用流量Q=260.5m3/s，為有壓引水隧洞，縱向坡比為0.19%。引水隧洞為圓形斷面，Ⅲ、Ⅳ類圍巖采用鋼筋混凝土全斷面砌襯，開挖洞徑為11.5m、12.1m，襯砌后洞徑均為10.5m，洞內(nèi)流速3.01m/s；Ⅱ類圍巖采用底部素襯及頂部噴混凝土襯砌，開挖洞徑為12.5m，襯砌后洞徑為12.2m，洞內(nèi)流速2.21m/s。

2017年6月30日完成引2+850m～2+814m上半層（8.0m）開挖支護(hù)工作，9月18日完成引2+970～2+795下半層開挖（3.5m），上下半洞開挖支護(hù)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段頂拱發(fā)生連續(xù)塌方，隨后受圍巖應(yīng)力釋放，塌方進(jìn)一步向上游側(cè)延伸至引2+806m樁號(hào)且塌方高度持續(xù)增加，塌方段延洞軸方向共44m。塌方體上游側(cè)引2+806m處塌方石渣將整個(gè)洞頂完全封死，從塌方體外側(cè)看不到頂部空腔，塌方體下游側(cè)引2+850m處塌方石渣將整個(gè)洞頂2/3高度完全封死，巖體塌落部位主要在隧洞頂拱右側(cè)，塌落后形狀呈鍋狀，經(jīng)測(cè)量塌落高度距設(shè)計(jì)洞頂最大為16m，塌方體約3500m3左右。此次塌方區(qū)頂拱層面較平直光滑，且貫穿洞身四壁，這幾組不利結(jié)構(gòu)面在頂拱相互組合后致使右側(cè)頂拱巖體沿層面發(fā)生順層坍塌，從而引起塌方。

根據(jù)塌方位置不同，塌方可分為洞口（含洞口段）塌方、洞內(nèi)工作面塌方、洞內(nèi)工作面后塌方。文中主要論述最常見的洞內(nèi)工作面塌方。從巖性來(lái)講，有巖質(zhì)類塌方、土質(zhì)類塌方；從規(guī)模來(lái)講，主要有順層塌方、局部掉塊。洞內(nèi)石質(zhì)類塌方的形成，主要因?yàn)樗矶幢崎_挖后，周邊處于懸空狀態(tài)的巖石在下沉、收斂變形過(guò)程中，由于巖石中層理及切割性節(jié)理裂隙的存在，特別是正好揭露了軟弱夾層時(shí)，懸空巖塊在自身重力和周邊擠壓作用下，產(chǎn)生了下落和擠出的態(tài)勢(shì)。

2、塌方的處理措施

2.1 塌方處置方案

經(jīng)過(guò)多種支護(hù)方案比選后，最終采用鋼支架管棚支護(hù)方案，如圖1所示，其中圖1（a）顯示了沿著隧洞深度方向布置多榀鋼支架管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，圖1（b）為其中一榀鋼支架管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)正視圖。大體操作步驟為：

（1）從塌方起始段頂拱處，將鋼管密布打入尚未發(fā)生塌方的破碎巖土體中形成管棚。（2）在塌方段洞口處尚未發(fā)生塌方的洞段一側(cè)設(shè)置鋼管支架，用于支撐步驟（1）中的管棚以及尚未發(fā)生崩塌、但穩(wěn)定性較差的巖土體，從而形成一個(gè)臨時(shí)性的整體支撐系統(tǒng)。該支撐系統(tǒng)以未崩塌巖土體和鋼管支架為前后支點(diǎn)，鋼管棚則能夠遏制斷層破碎風(fēng)化巖土體的變形和塌方。（3）在臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)形成后，可先對(duì)管棚下浮土和破碎巖體進(jìn)行挖除，重復(fù)步驟（1）和（2），不斷擴(kuò)大、深入支護(hù)系統(tǒng)的范圍，進(jìn)而又可繼續(xù)對(duì)破碎風(fēng)化巖土體進(jìn)行清除；如此循序漸進(jìn)，直至完全通過(guò)破碎帶。（4）在上述步驟實(shí)施完畢后，可全段或分段做永久性鋼筋混凝土襯砌。實(shí)踐證明，本工程所采用的鋼架管棚方案能夠有效地遏制塌方的發(fā)展，截至目前，歷經(jīng)十余年，仍然保持穩(wěn)定。

2.2 塌方處理措施

主要流程為：預(yù)埋PVC導(dǎo)水管兩處→施工平臺(tái)搭設(shè)→掌子面封閉→超前小導(dǎo)管安裝→超前小導(dǎo)管注漿（待強(qiáng)）→上半部開挖→上半部鋼支撐安裝→噴混凝土封閉→下一循環(huán)→塌腔回填。鑒于地下水局部呈線流狀，采用單液漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，不能控制，隨地下水漏漿跑漿比較嚴(yán)重，結(jié)石率低。故而考慮采用水泥水玻璃雙液漿，控制在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到固結(jié)阻水效果。而地下水壓力隨著固結(jié)阻水必然壓力上升，故而采用沙袋+噴射混凝土（150mm厚）作為止?jié){墻。雙液漿的主要參數(shù)如下：①水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；②水泥漿水灰比為0.8∶1；③水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.8；④水玻璃模數(shù)為3，濃度為40°Be.凝膠時(shí)間約為10min。注漿量的計(jì)算、超前支護(hù)的參數(shù)及開挖支護(hù)工藝同A塌方。

總之，該引水系統(tǒng)工程發(fā)生的最大塌方，塌方范圍大、高度高，塌方的發(fā)生嚴(yán)重影響后續(xù)澆筑工作的開展，也成為如期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。該塌方段處理施工方案經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化實(shí)施，有效保障了施工過(guò)程中的施工安全、提高了施工效率，縮短了工期，為電站如期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)創(chuàng)造了有利條件，對(duì)隧洞工程類似塌方處理具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭繼東，邵華.引水隧洞穿越不良地質(zhì)段開挖施工技術(shù)探討[J].黑龍江水利科技，2016，44（05）：86-88.

[2]樊迎娟.引黃隧洞塌方原因分析及處理措施[J].河南水利與南水北調(diào)，2016，（10）：99-100.

[3]湯向華，龔銳.木坡水電站引水隧洞塌方及涌水處理措施[J].華電技術(shù)，2015，37（04）：1-3+76.