匯澤園水電站引水隧洞塌方處理方案

孫長慶，宋寶生

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

1 基本情況

1.1 工程概況

匯澤園水電站位于河北省寬城滿族自治縣潘家口水庫瀑河入口處，距縣城21km。該水電站為無壓引水式非洪水期日調節水電站，主要任務是引水發電。水電站主要由攔河壩、引水隧洞、廠區樞紐等部分組成，工程等別為V等，建筑物級別為5級。引水隧洞為無壓洞，引水流量7.15m3/s，隧洞斷面為圓拱直墻式，斷面尺寸3.3m×3.7m，洞底縱坡1/1500，洞長2856m。匯澤園水電站于2001年7月8日動工修建，2003年3月24日建成發電。

1.2 隧洞塌方情況

2006年5月匯澤園水電站引水隧洞出現局部塌方，隨即對塌方段進行清理，于2006年10月恢復發電。2007年6月隧洞中部又出現嚴重塌方，清渣過程中坍塌不斷，導致隧洞頂部出現10m高的倒漏斗冒頂現象。塌落石渣填塞隧洞、阻斷水流，塌方段上游積水2m多深，給隧洞塌方段處理帶來很大難度。

2 隧洞塌方原因分析

匯澤園水電站引水隧洞支護型式分為襯砌段、噴錨段、素噴段和不襯砌段。隧洞塌方段位于隧洞中部，是不襯砌段即毛洞過水段，塌方堵塞段長約30m，隧洞斷面被塌方石渣堵嚴，塌落最嚴重部位在洞頂以上呈10m高的倒漏斗形。

塌方段地貌為山谷，溝谷高程200m，該部位隧洞埋深約70m。隧洞塌方段圍巖為薄層頁巖，強度偏低，產狀為走向近EW，傾向N，傾角60°，洞線方向為SW230°，與巖層走向斜交成50°左右。圍巖節理裂隙發育，并有夾泥充填，該段圍巖地下水豐富，洞內滲水隨季節變化較大，塌方時正值雨季，地表水沿節理面滲入，洞內呈流線狀。

根據工程地質條件經綜合分析，隧洞塌方主要原因有：①隧洞塌方段圍巖主要為薄層頁巖，頁巖強度偏低，節理裂隙發育，長期暴露巖石風化，裸露圍巖由于掉塊，失去三向受力狀態，并逐漸擴大，以致形成大的塌方冒頂。②塌方段隧洞為毛洞過水，圍巖經長期浸泡沖蝕，節理面夾層被沖蝕，圍巖受力環境遭到破壞。③隧洞塌方段穿越溝谷，地勢低洼，地下水豐富，外水沿節理面向洞內滲漏，沖蝕軟弱夾層，隨著節理夾層軟化淘空，圍巖受力環境被破壞并坍塌。

3 隧洞塌方段處理方案

3.1 塌方冒頂段處理

由于塌方段圍巖強度低、巖石破碎，坍塌冒頂嚴重，除清渣、穿越時采取初期支護外，后期采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌總長40m，間隔10m設1道伸縮縫。

為避免二次擴挖帶來的施工難度和危險性加大，在原設計毛洞基礎上直接進行鋼筋混凝土襯砌，襯砌斷面型式為圓拱直墻式，襯砌厚度40cm，襯砌后隧洞斷面尺寸2.5m×2.9m，直墻高2.195m，頂拱高0.705m，頂拱圓心角118°，襯砌混凝土強度等級C25，隧洞底部縱坡同原設計1/1500。待混凝土襯砌結束并達到設計強度的80%后，對隧洞以外塌落空間回填砂漿，頂拱砂漿回填厚度按1m控制。回填砂漿考慮在洞內頂拱部位預埋準100mm回填砂漿管，順洞方向管距1.5m，管長按襯砌外1.2m和0.8m控制，砂漿回填按兩序施工。襯砌隧洞頂拱預設回填灌漿孔，待砂漿回填結束并達到設計強度80%后，實施回填灌漿，回填灌漿按兩序施工，設計灌漿壓力0.3MPa。回填灌漿結束并經檢查合格后打排水孔，排水孔孔徑5cm。回填灌漿孔及排水孔深入圍巖（襯砌結構外）分別為10cm和200cm，孔排距均為3m，每排設3孔，沿頂拱中心線對稱布置，相鄰夾角為50°，灌漿孔與排水孔沿洞線交替布置。

為保證塌方襯砌段隧洞進出口水流平穩，在襯砌段隧洞進出口底板及兩側邊墻設置1∶4混凝土斜坡漸變段與相應部位毛洞順接，漸變段混凝土強度等級C25。塌方段縱段見圖1。

圖1 隧洞塌方段縱斷面圖

3.2 圍巖塌落段處理

隧洞沿線其他部位圍巖由于風化和長期遭受地下水及洞內水流沖蝕，均有不同程度的坍塌，塌落范圍和坍塌量將會逐漸擴大，應采取相應的支護措施。

根據圍巖塌落情況并結合地質條件，對局部圍巖塌落部位進行噴混凝土支護，有些部位視圍巖具體地質情況增設局部錨桿或掛網。素噴混凝土厚度8cm，掛網時噴混凝土厚度10cm，噴射混凝土強度等級C25，錨桿長2m，錨桿間距0.7m。

3.3 塌方襯砌段水力復核

引水隧洞設計流量為7.15m3/s，利用分段求和法推求塌方襯砌段隧洞洞內水面線，并判斷洞內凈空面積及高度是否滿足規范要求，分段求和法計算公式：

式中 △L1-2為分段長度（m）；h1、h2為分段始、末斷面水深（m）；v1、v2為分段始、末斷面平均流速（m/s）；α1、α2為流速分布不均勻系數，取α1=α2=1.0；θ為隧洞底坡角度（°）；i為隧洞底坡，i=tgθ＝1/1500；為分段內平均摩阻坡降；n為糙率系數，襯砌隧洞洞身取n=0.015，毛洞n＝0.035；為分段平均流速（m/s），=（v1+v2）/2；為分段平均水力半徑（m），=（R1+R2）/2。

經計算，洞內最大水深為2.22m，最小凈空面積為1.19m2，大于隧洞斷面面積的15%，最小凈空高度為68cm，大于40cm，襯砌后隧洞斷面滿足規范要求。

4 隧洞塌方段施工

根據隧洞塌方情況及塌方段地質條件，對隧洞塌方段施工方案提出以下幾點建議。

4.1 排水

塌方段至隧洞進口有2m深積水，積水是由進口閘門漏水和洞內滲水造成的，出渣的第一步是排水。塌方段上游300m右側有一原施工用斜井，建議利用斜井抽排洞內積水。

4.2 塌方段穿越

隧洞已運用4a多，表明洞室圍巖有一定的自穩能力，為塌方段穿越提供了支護和襯砌時間。首先在塌方前沿對圍巖進行噴錨，架設鋼拱架。鋼拱架間距控制在0.5m以內，拱架與圍巖之間用背板塞填，避免架空現象，發揮鋼拱架作用。隨著清渣工作的進行，塌方段冒頂漏斗逐漸顯露，建議施工中隨清渣隨噴錨，必要時對此段圍巖進行掛網，此時噴錨應及時支護，噴混凝土須采用早強水泥，錨桿采用藥卷錨固劑。

4.3 加強圍巖觀測

施工過程中派專人對隧洞圍巖變形定期進行觀測，發現異常及時采取措施或撤離，確保施工安全。應在隧洞頂部、拱肩及冒頂部位設置觀測點，每天定時觀測，及時分析圍巖變形速率，如速率增大，應加強支護或安全撤離。

4.4 分段施工

根據對圍巖觀測情況的綜合分析，圍巖自穩時間如不能保證全段貫通再襯砌混凝土時，施工時應清理一段，襯砌一段，以滿足圍巖自穩時間短的條件限制。

5 結語

（1）軟弱圍巖水工隧洞開挖后應進行支護，并根據圍巖情況選擇適當的襯砌型式，不宜采用毛洞直接輸水，以免引起塌方，造成再處理的難度和費用增加，影響工程效益正常發揮。

（2）隧洞塌方段處理應清理一段，支護一段，小塌方是大塌方的開始。隧洞支護是發揮圍巖的自承作用，確保其受力環境和狀態。

［1］SL/279—2002，水工隧洞設計規范［S］.

［2］TB/10003—2005，鐵路隧道設計規范［S］.

［3］段樂齋，水利水電工程地下建筑物設計手冊［M］.成都：四川科學技術出版社，1993.

［4］高大釗.巖土工程手冊［K］.北京：中國建筑工業出版社，1994.

［5］DL/T50—99，水工建筑物地下開挖工程施工技術規范［S］.

［6］GB50086—2001，錨桿噴射混凝土支護技術規范［S］.