某水電站引水隧洞塌方原因分析及處理措施

殷建軍，李士明，蔣 沖

(1.浙江甌能集團尼汝河水電開發(fā)公司，浙江麗水 674400;2.長江巖土工程總公司地質(zhì)公司，湖北武漢 430010)

某水電站引水隧洞塌方原因分析及處理措施

殷建軍1，李士明2，蔣 沖1

(1.浙江甌能集團尼汝河水電開發(fā)公司，浙江麗水 674400;2.長江巖土工程總公司地質(zhì)公司，湖北武漢 430010)

某水電站引水隧洞穿越一寬33 m的斷層破碎帶 (f484)，在開挖過程中，發(fā)生了較大范圍的塌方。對塌方的主要原因進行分析，提出了“先固結塌方體，再低強度開挖，后加強支護”的總體處理措施，經(jīng)施工后未發(fā)生變形，效果良好。

引水隧洞;塌方;地質(zhì)分析;止?jié){墻;臺階法

0 引言

某水電站位于云南省香格里拉縣境內(nèi)的尼汝河下游，是尼汝河梯級開發(fā)中的第四級，以發(fā)電為主的日調(diào)節(jié)電站。水庫正常蓄水位1 910.30 m。主要建筑物由混凝土溢流壩、右岸引水隧洞、岸邊地面式廠房等組成。引水隧洞線路總長約10.5 km，設計引水流量35.5 m3/s，隧洞開挖斷面尺寸約 5.8 m ×5.6 m，電站裝機容量為120 MW。

引水隧洞樁號Y1+188～Y1+260段分布板巖、板灰?guī)r及碎石塊、斷層破碎帶，地下水活躍，巖石軟弱。該隧洞段位于區(qū)域性大斷裂木星土逆沖斷層F48的NW側，距離約1.5 km，巖體大部分受斷層影響，擠壓變形強烈，局部派生數(shù)條逆沖斷層，節(jié)理、裂隙發(fā)育，成洞條件差，多處出現(xiàn)涌水、塌方及巖體變形，尤以樁號Y1+197～Y1+230段塌方、突水規(guī)模較大，本文針對該段塌方的原因進行了分析，提出了處理措施。

1 塌方特征

1.1 塌方過程

2010年5月1日，樁號Y1+197掌子面開挖爆破后，發(fā)現(xiàn)開挖面線右(自上游向下游，下同)拱部出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，并伴有小塊渣體塌落。隨即地質(zhì)人員進行了綜合分析，預報該段發(fā)育一斷層(f484)，可能發(fā)生塌方，建議施工單位加強監(jiān)測，并采取相應的應對措施。隨后，施工單位開始正常出渣，邊出渣邊塌落;出渣即將結束時，線右側上方出現(xiàn)小規(guī)模塌方，伴有線狀流水和碎石塊塌落，攪拌混凝土進行素噴時，邊噴邊有碎石塊塌落;5月2日發(fā)生大規(guī)模塌方，形成沿隧洞長13.4 m、高5.6 m的三角形渣體;同日，掌子面突水，涌水量400～500 L/min，并伴有塌方;5月3日突水量仍未減少，且有渣體繼續(xù)塌落;5月4日以后，涌水量漸小至30 L/min左右，基本趨于穩(wěn)定，有輕微的塌落聲。

1.2 塌方體特征

塌方渣體沿隧洞分布長13.4 m，部分渣體填滿隧洞，估算方量180 m3。

碎塊石為玄武巖、硅質(zhì)板巖、板巖夾少量的板灰?guī)r及斷層角礫巖，粒徑最大0.8 cm，一般 0.1 ～0.3 m，呈棱角狀，含量占85% ～90%;并有灰白色、黑色軟塑狀的泥質(zhì)物，呈團狀包裹碎塊石。

泥質(zhì)膠結或無膠結。斷層上、下盤影響帶巖體破碎，影響帶寬9～14 m，劈理發(fā)育，局部發(fā)育軟弱夾層，呈不規(guī)則的網(wǎng)格分布，延伸長，線密度5～8條/m，內(nèi)充填灰?guī)r巖屑或石英粉末，泥質(zhì)膠結，膠結差。發(fā)生突水現(xiàn)象，地下水活動強烈，屬強風化巖體，圍巖類別為Ⅴ類。

2 塌方原因分析

2.1 基本地質(zhì)條件

塌方段引水隧洞埋深286～303 m，為深埋隧洞［1］，隧洞軸線距尼汝河水邊440 m。

引水隧洞圍巖地層巖性為二疊系下統(tǒng)中村組(P1z2)炭質(zhì)板巖、千枚狀板巖夾板灰?guī)r等，產(chǎn)狀268°～300°∠28°～42°。巖石輕微變質(zhì)，擠壓變形嚴重。塌方段為一逆斷層(見圖1)，發(fā)育于二疊系下統(tǒng)中村組P1z2地層，斷層破碎帶寬33 m，斷層產(chǎn)狀傾向254°～270°，傾角45°～56°，斷層帶巖體呈散體結構，由碎塊巖、斷層泥等組成，斷層破碎帶膠結差。

圖1 工程地質(zhì)平面示意圖Fig.1 Schematic plan of engineering geology

該斷層上、下游巖體多屬弱風化—微新巖體。節(jié)理、裂隙發(fā)育兩組：①154°∠35°，延伸長，略平直，充填板理化板巖巖屑或鈣膜，局部充填石英，線密度8～12條/m;② 100°～130°∠30°，延伸長，彎曲，面粗糙，見擦痕。雖節(jié)理、裂隙傾角較緩，但呈微張開—張開狀，且內(nèi)充填板理化巖屑，膠結差—中等，不利于洞室圍巖穩(wěn)定。根據(jù)圍巖工程地質(zhì)分類［2］，屬Ⅴ類圍巖。

2.2 塌方原因分析

首先，該段為斷層，斷層帶寬度較大，達33 m，其斷層帶內(nèi)巖體破碎，膠結差，且存在斷層泥，對隧洞圍巖極為不利，屬Ⅴ類圍巖。

其次，斷層破碎帶巖體破碎，是地下水儲存的良好部位，也是地下水通道，為導水帶，其兩側巖體炭質(zhì)板巖、千枚狀板巖，屬隔水巖體，地下水均富集在斷層帶中。該段施工時，出現(xiàn)連日的暴雨，地表水下滲到斷層破碎帶，水壓力增大，本來泥質(zhì)膠結差的巖體，經(jīng)爆破和應力釋放后，加劇了斷層破碎帶巖體結構的變化，貫通地下水滲漏通道。

第三，鉆爆法施工已不適應該段的地質(zhì)條件?，F(xiàn)階段隧洞的開挖都以新奧法理論為指導，但在實際施工中，施工方法與地質(zhì)條件不相適應時，不能采用新奧法施工，因圍巖的變形同時具有連續(xù)變形和突然變形的特征。因此，在超埋深、高地應力及水文地質(zhì)條件改變和鉆爆法施工動力干擾下等內(nèi)外部因素影響的條件下進行地下工程施工，就會在正常斷面變異為異性斷面的開挖施工中，出現(xiàn)應力集中、圍巖大變形、斷面變異，從而導致地質(zhì)與斷面條件惡化而發(fā)生塌方。

2.3 塌方平均高度理論計算

深埋隧洞的臨界深度(hq)以隧洞頂部蓋層能否形成壓力拱(平衡拱)為原則［3］。一般是采用塌方平均高度hq的2～2.5倍。

表1 各類圍巖塌方高度平均值Table 1 Height average of different wall rock collapse

根據(jù)表1，本段圍巖類別為Ⅴ類，計算塌方平均高度約為40 m。

3 塌方處理措施

塌方處理方案的好與壞，直接影響到經(jīng)濟損失，有可能造成人員傷亡，故處理措施的選擇是關鍵。本工程處理的原則是先鞏固后方，防止塌方擴大，以安全的后方為依托或掩護再向前進行處理。一般認為塌方發(fā)生后在一定時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，形成自然拱，而自然拱的高度、寬度與普氏平衡拱理論計算結果基本相符。

3.1 塌方處理依據(jù)

前蘇聯(lián)學者M·M普洛托雅克諾夫(簡稱普氏)以松散理論為基礎［4］，認為在松散介質(zhì)中開挖隧道后，隧道上方將形成拋物線的平衡拱，平衡拱高度h為：

式中：h——平衡拱高度(m);b——平衡拱的半跨度(m);fk——巖石堅固性系數(shù)，巖石fk=R/10;R——巖石的抗壓極限強度(MPa)，取值應考慮巖體裂隙及節(jié)理的影響。

在隧道側壁穩(wěn)定時，即拱部塌方時，平衡拱寬度就是開挖寬度，即b=bt(見圖2及圖3)。

圖2 平衡拱寬度示意圖Fig.2 Schematic diagram of balanced arch width

圖3 側壁不穩(wěn)時平衡拱寬度示意圖Fig.3 Schematic diagram of balanced arch width when lateral wall is unsteady

當側壁不穩(wěn)定時，平衡拱寬度為：

式中：Ht——隧道凈高(m);bt——隧道凈寬之半(m)。

3.2 塌方處理方案比選

隧洞施工貫徹“保護圍巖、內(nèi)實外美、重視環(huán)境和動態(tài)施工”的理念，塌方段施工方案的選擇，主要根據(jù)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件、施工條件、圍巖類別、隧洞埋深、隧洞斷面尺寸大小和長度、襯砌類型，因此，處理措施的合理制定，是重中之重。

目前，國內(nèi)處理塌方體的方案通常有三種：① 盾構法;②管棚法;③臺階法。

若采用“盾構法”施工，雖可一次性成洞，不存在塌方或變形問題，但需調(diào)配一套完備的機械設備，周期長，成本高，影響工期;采用“管棚法”施工，成本低(與盾構法施工相比)，但施鉆困難(開挖斷面小，鉆機難于擺放)、成孔性差(局部存在松散砂粒)、容易卡鉆、下管難度大，因而工期長，影響發(fā)電的總體目標;采用“臺階法”施工，雖單循環(huán)進尺控制在1 m以內(nèi)，但可降低掌子面高度，減小掌子面面積，也相應降低塌方的機率。

通過對塌方段現(xiàn)場勘察并綜合分析，結合隧道工程施工理論，本工程處理遵循“臺階法”原則，在此基礎上，采用“先固結塌體后方、施做止?jié){墻、固結塌方體、再臺階法開挖(低強度)、后加強聯(lián)合支護”的總體處理措施方案。

3.3 塌方處理

在軟弱圍巖中，提供圍巖自支護能力的基本方法是控制圍巖的松弛、坍塌，其原則是穩(wěn)定掌子面，及時封閉和加固地層。

塌體后方固結灌漿：塌方體后方圍巖的整體性受到破壞，先對塌體后方進行固結灌漿(圖4)。沿開挖面范圍平行于隧洞中線方向施做無縫注漿花管進行固結灌漿，梅花型布置，排間距2.0 m。漿液采用水泥—水玻璃雙液漿，注漿終壓為0.3 MPa。

圖4 隧洞塌方處理示意圖Fig.4 Schematic diagram of tunnel collapse treatment

施做止?jié){墻：噴射砼施做止?jié){墻，對開挖面及開挖輪廓線外進行固結灌漿。

固結塌方體：塌方體物質(zhì)為松散的碎塊石及斷層泥，需進行固結灌漿。塌體坡腳樁號為Y1+184.1，考慮清渣至樁號Y1+186開始施做止?jié){墻，沿塌體坡面噴射砼止?jié){墻，開始施做注漿管;隧洞范圍下部布置三排注漿管，梅花型布置;止?jié){墻及核心注漿管前布置兩排。

施做超前小導管：在拱部150°范圍開挖輪廓線外20 cm處，設置無縫超前小導管，環(huán)向間距0.2 m，縱向排間距0.6 m。采用水泥—水玻璃雙液漿進行注漿，注漿終壓為0.6 MPa。

隧洞開挖：采用“臺階法”開挖，即將設計斷面分成上半斷面和下半斷面兩次開挖成型，先上部后下部、先線左后線右的開挖方法。塌方段斷面按30 cm的預留變形量進行考慮，初次支護完成后待襯砌前至少保證設計襯砌。

工字鋼架安裝：上斷面開挖完成后，采用I18城門洞型工字鋼架，安裝間距30～50 cm，每榀中部及底部設工字鋼橫撐，且鋼架直墻底部設縱向連接工字鋼梁，起連接及防沉降作用;鋼架間設雙層連接筋。

施做鎖腳錨管及網(wǎng)片安裝：每榀鋼架兩邊鋼架接頭及底腳每側各施做斜下鎖腳錨管，并采用雙液漿進行注漿;在鋼架范圍施做雙層鋼筋網(wǎng)片，必要時，采用雙層網(wǎng)片。

噴射混凝土：沿鋼架范圍噴射混凝土，厚度30 cm。

底板混凝土加固：前方邊開挖邊對后方底部進行清渣和底部開挖，施做底板I18工字鋼橫撐和砼施工。采用混凝土全鋪;工字鋼橫撐為類似梯形，與已支護的邊墻鋼架連接。

徑向注漿加固處理：沿拱墻鋼架支護面范圍施做徑向無縫注漿焊管，梅花型布置。漿液采用水泥—水玻璃雙液漿，注漿終壓為0.6 MPa。固結灌漿時，應注意偏壓，造成初期支護失效。

對于塌方段的塌腔部分，根據(jù)塌腔高度，采用泵送砼進行回填。

4 塌方處理效果評價

塌方體巖石抗壓極限強度R=5 MPa，平衡拱的半跨度b=2.8 m，根據(jù)平衡拱理論進行計算平衡拱高度h=5.6 m，回填砼高度8.7 m(后期鉆孔驗證)，實際回填高度大于理論計算高度，滿足要求。數(shù)月對塌方段進行監(jiān)測，未發(fā)生變形，反映塌方體已基本穩(wěn)定，處理效果良好。

5 結論

(1)塌方段為一逆沖斷層，巖體呈散體結構，由碎塊巖、斷層泥等組成，泥質(zhì)膠結，膠結差，地下水活動強烈，圍巖類別為Ⅴ類。其地質(zhì)條件差與水文地質(zhì)條件的改變是導致塌方的主導因素。

(2)通過塌方處理方案必選，最終確定“先固結塌體后方，再施做止?jié){墻，固結塌方體，臺階法開挖(低強度)，后加強聯(lián)合支護”的總體處理措施。經(jīng)實施后，未發(fā)生變形，處理效果良好。

(3)地質(zhì)人員超前對該處進行了地質(zhì)預報，其結論與開挖揭露的地質(zhì)情況吻合，為塌方段處理方案的制定提供了先決條件，更為引水隧洞的順利施工起到了一定的指導作用。

［1］徐澤民，等.隧洞的埋深劃分［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2000，11(4)：7 －10.

［2］水利部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［3］鐵道部第二勘測設計院.鐵路隧洞設計規(guī)范(TBT3—96)［S］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［4］宋建波，等.巖體經(jīng)驗強度準則及其在地質(zhì)工程中的應用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2002.

Reason Analysis and Treatment Measure of Collapse in Diversion Tunnel

YIN Jianjun1，LI Shiming2，JIANG Chong1
(1.Niruhe Water－electric Power Development Corporation，Lishui，Zhejiang674400;2.Changjiang Geotechnical Engineering Corporation，Wuhan，Hubei430010)

In the excavation process Diversion Tunnel which crosses a fault fracture zone with 33m wide results in wider range of collapse.The paper analyzes the main reasons for collapse，put forward the general treatment measures of the three steps as follow，first consolidate collapse，and then excavate with low intensity，finally enhance support.It has good effect.

diversion tunnel;collapse;geological analysis;preventing－grout wall;bench cut method

TV732.3

A

1671－1211(2011)03－0232－04

2010－12－07;改回日期：2011－01－10

殷建軍 (1979－)，男，工程師，水利水電工程建筑專業(yè)，從事水利水電工程管理工作。E－mail：44980597@qq.com

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