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度，有利于減少對良田耕地的侵占和對植被的毀壞；另一方面，地質條件良好的引水隧洞可少采用甚至不采用襯砌，這大大節省了修建隧洞的投資。且隧洞開挖所產生的石料也是一種寶貴資源，這對于造價與常規明渠相比相對較高的引水隧洞來說，是一種可觀的經濟回報。

【關鍵詞】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至文縣臨江鄉之間，引水隧洞布置，引水發電系統調壓井前全長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段頂拱發生連續塌方，隨后受圍巖應力釋放，塌方進一步向上游側延伸至引2+806m樁號且塌方高度持續增加，塌方段延洞軸方向共44m。塌方體上游側引2+806m處塌方石渣將整個洞頂完全封死，從塌方體外側看不到頂部空腔，塌方體下游側引2+850m處塌方石渣將整個洞頂2/3高度完全封死，巖體塌落部位主要在隧洞頂拱右側，塌落后形狀呈鍋狀，經測量塌落高度距設計洞頂最大為16m，塌方體約3500m3左右。此次塌方區頂拱層面較平直光滑，且貫穿洞身四壁，這幾組不利結構面在頂拱相互組合后致使右側頂拱巖體沿層面發生順層坍塌，從而引起塌方。

根據塌方位置不同，塌方可分為洞口（含洞口段）塌方、洞內工作面塌方、洞內工作面后塌方。文中主要論述最常見的洞內工作面塌方。從巖性來講，有巖質類塌方、土質類塌方；從規模來講，主要有順層塌方、局部掉塊。洞內石質類塌方的形成，主要因為隧洞爆破開挖后，周邊處于懸空狀態的巖石在下沉、收斂變形過程中，由于巖石中層理及切割性節理裂隙的存在，特別是正好揭露了軟弱夾層時，懸空巖塊在自身重力和周邊擠壓作用下，產生了下落和擠出的態勢。

2、塌方的處理措施

2.1 塌方處置方案

經過多種支護方案比選后，最終采用鋼支架管棚支護方案，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結構的側視圖，圖1（b）為其中一榀鋼支架管棚支護結構正視圖。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生塌方的洞段一側設置鋼管支架，用于支撐步驟（1）中的管棚以及尚未發生崩塌、但穩定性較差的巖土體，從而形成一個臨時性的整體支撐系統。該支撐系統以未崩塌巖土體和鋼管支架為前后支點，鋼管棚則能夠遏制斷層破碎風化巖土體的變形和塌方。（3）在臨時支護系統形成后，可先對管棚下浮土和破碎巖體進行挖除，重復步驟（1）和（2），不斷擴大、深入支護系統的范圍，進而又可繼續對破碎風化巖土體進行清除；如此循序漸進，直至完全通過破碎帶。（4）在上述步驟實施完畢后，可全段或分段做永久性鋼筋混凝土襯砌。實踐證明，本工程所采用的鋼架管棚方案能夠有效地遏制塌方的發展，截至目前，歷經十余年，仍然保持穩定。

2.2 塌方處理措施

主要流程為：預埋PVC導水管兩處→施工平臺搭設→掌子面封閉→超前小導管安裝→超前小導管注漿（待強）→上半部開挖→上半部鋼支撐安裝→噴混凝土封閉→下一循環→塌腔回填。鑒于地下水局部呈線流狀，采用單液漿凝結時間長，不能控制，隨地下水漏漿跑漿比較嚴重，結石率低。故而考慮采用水泥水玻璃雙液漿，控制在較短時間內達到固結阻水效果。而地下水壓力隨著固結阻水必然壓力上升，故而采用沙袋+噴射混凝土（150mm厚）作為止漿墻。雙液漿的主要參數如下：①水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥；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水玻璃模數為3，濃度為40°Be.凝膠時間約為10min。注漿量的計算、超前支護的參數及開挖支護工藝同A塌方。

總之，該引水系統工程發生的最大塌方，塌方范圍大、高度高，塌方的發生嚴重影響后續澆筑工作的開展，也成為如期實現目標的關鍵節點。該塌方段處理施工方案經過多次優化實施，有效保障了施工過程中的施工安全、提高了施工效率，縮短了工期，為電站如期實現目標創造了有利條件，對隧洞工程類似塌方處理具有一定借鑒意義。

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