富水地層隧洞塌方原因及處理措施

(中鐵十一局集團第三工程有限公司，湖北十堰 442012)

1 工程概況

新疆蓋孜河流域布侖口—公格爾水電站工程位于新疆克爾柯孜自治州阿克陶縣境內(nèi)的蓋孜河上，壩址樞紐區(qū)距喀什市153km，距阿圖什市192km，距阿克陶縣城 100km，電站位于壩址樞紐區(qū)下游約 19km(以17.5km引水隧洞引水)。工程區(qū)沿線有314國道(中巴公路)通過，另外南疆鐵路通到喀什市，該工程對外交通比較方便。

布侖口—公格爾水電站工程是一座具有灌溉、發(fā)電、防洪和改善生態(tài)等綜合利用效益的大型水電站工程，布侖口水庫是蓋孜河中游河段的龍頭水庫，也是該河唯一具有多年調(diào)節(jié)性能的控制性水庫。所屬公格爾水電站是蓋孜河中游河段的第一個梯級電站。水庫正常蓄水位 3290.00m，總庫容6.44億 m3，正常蓄水位下庫容5.267億m3，死水位3280.00m，最大壩高35m。其電站裝機容量200MW，保證出力69.8MW，多年平均有效發(fā)電量6.73億 kW·h;布侖口水庫具有多年調(diào)節(jié)性能，其電站可參與系統(tǒng)調(diào)峰。工程土石方開挖總量約248.53萬 m3，填筑總量約91.9萬 m3，引水隧洞17.5km，混凝土總量約28.44萬 m3，瀝青混凝土約0.46萬 m3，噴護混凝土約2.45萬 m3，鋼筋鋼材總量約1.92萬t。該工程由攔河壩、左岸發(fā)電引水系統(tǒng)、地面發(fā)電廠房和導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、右岸岸邊式溢洪道等組成。

1.1 攔河壩

攔河壩為澆筑式瀝青混凝土心墻壩，由瀝青混凝土心墻、上下游過渡料層、壩殼、下游混合過渡料層、壩腳壓重臺組成，上游壩面采用混凝土面板護坡，下游壩面為干砌石護坡。

1.2 泄水建筑物

開敞式溢洪道布置于右壩肩，由引渠段、控制段、泄槽段、渥奇段、陡坡擴散段、消能段、退水渠段組成，全長658.034m。導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞布置在左岸，全長703.137m，由引渠、進口事故閘井、洞身、工作閘井、出口擴散段、消力池、退水渠組成。

1.3 引水建筑物

引水系統(tǒng)布置在左岸，由引水渠、進水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、岔管、支管等組成。

1.4 發(fā)電廠房及開關(guān)站

發(fā)電廠房由主廠房、安裝間、副廠房及 GIS室、尾水建筑物等組成。主廠房內(nèi)安裝3臺67MW水輪發(fā)電機，總裝機200MW，開關(guān)站設(shè)置3臺主變壓器。

2 富水地層隧洞塌方原因

富水地層隧洞塌方有兩方面因素:地質(zhì)因素和施工因素。

2.1 地質(zhì)因素

隧洞穿過富水地層的斷層及其破碎帶，一經(jīng)開挖，潛在應(yīng)力釋放，承壓快，圍巖失穩(wěn)變形而坍塌。當(dāng)通過各種堆積體時，由于富水地層結(jié)構(gòu)松散，顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差，開挖后引起坍塌。在富水地層的擠壓破碎帶、巖脈穿插帶、節(jié)理密集等碎裂結(jié)構(gòu)地層中，巖塊間互相擠壓鉗制，一經(jīng)開挖則失穩(wěn)，常見圍巖掉塊、坍落。在軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的情況下，或泥質(zhì)充填物過多，均易產(chǎn)生較大坍塌。富水地層的薄層巖體在構(gòu)造運動作用下形成的小褶曲、錯動發(fā)育地段，施工中常常發(fā)生坍塌。富水地層巖層軟硬相間或有軟弱夾層的巖體，在地下水的作用下，軟弱夾層的巖體強度大大降低，發(fā)生滑塌。富水地層受地下水軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用會加劇巖體的失穩(wěn)和坍落。

2.2 施工因素

富水地層隧洞施工時，施工方法選擇不當(dāng)，或工序間距安排不合理，容易引發(fā)塌方。富水地層隧洞施工的各工序間隔時間較長，圍巖裸露時間過久，引起圍巖松動、風(fēng)化，導(dǎo)致坍塌的發(fā)生。富水地層隧洞施工噴錨不及時，或噴混凝土質(zhì)量、厚度不符合要求，容易引起塌方。富水地層隧洞施工采用鋼支撐時，支撐架設(shè)質(zhì)量欠佳，支撐與圍巖不密貼，兩者間的空隙填塞不密實，或聯(lián)結(jié)不夠牢固，不能滿足圍巖壓力所需要的強度要求時，容易引發(fā)塌方。富水地層隧洞施工鋼支撐出現(xiàn)受力過大的現(xiàn)象而未及時加固出現(xiàn)應(yīng)力集中造成失穩(wěn)破壞，極易導(dǎo)致塌方。富水地層隧洞施工爆破作業(yè)未按照相關(guān)施工規(guī)范、技術(shù)參數(shù)施工，處理危石措施不當(dāng)，引起危石墜落，牽動巖層坍塌。

3 富水地層隧洞塌方預(yù)防措施

富水地層隧洞施工時容易引發(fā)塌方事故，針對塌方發(fā)生的原因，可從以下幾個方面進行預(yù)防。

a.做好超前地質(zhì)預(yù)報工作。該工程的引水隧洞局部洞段位于地下水位線以下，施工開挖接近設(shè)計探明的富水、富泥及斷層破碎帶時，要認(rèn)真及時地分析和觀察開挖工作面巖性變化，遇有探孔突水、涌泥、滲水增大和整體性變差等現(xiàn)象，及時改變施工方案。

b.加強圍巖觀測工作。已開挖完成的洞段每隔10m設(shè)置一組觀測點，必要時要加密觀測點，拱頂及兩側(cè)拱肩部位分別布置一觀測點。初期觀測:每天進行觀測點測量，若發(fā)現(xiàn)圍巖局部有變形則加密測量;后期觀測:若初期觀測圍巖無變形現(xiàn)象則每周觀測一次。通過對測量數(shù)據(jù)分析處理，按照“時間—位移”曲線規(guī)律，及時調(diào)整和加強初期支護，同時重視混凝土襯砌，及時施作。

c.嚴(yán)格控制爆破裝藥量，盡量減小對軟弱破碎圍巖的擾動。嚴(yán)格控制開挖工序，尤其是一次開挖進尺，杜絕各種違章施工。保證施工質(zhì)量，超前預(yù)注漿固結(jié)止水，鋼支撐制作、初期支護和混凝土襯砌混凝土質(zhì)量必須符合設(shè)計及驗標(biāo)要求。

d.施工期間，洞口應(yīng)常備一定數(shù)量的塌方搶險材料，如方木、鋼支撐、鋼板等，以備急用。安全員隨時對圍巖及已支護面進行表面觀測，如發(fā)現(xiàn)表面裂隙等坍塌趨勢，應(yīng)立即進行處理。

e.有下述現(xiàn)象發(fā)生時，應(yīng)先撤出工作面上的施工人員和機械設(shè)備，指定專人觀察并進行加固處理:圍巖量測所反映的圍巖變形速度急劇加快;圍巖面不斷掉塊、剝落;初期支護噴混凝土表面龜裂、裂縫或脫皮掉塊，鋼支撐嚴(yán)重變形。

4 富水地層隧洞坍塌應(yīng)急處理

4.1 基本應(yīng)急措施

發(fā)現(xiàn)塌方時，應(yīng)立即發(fā)出警報信號，通知洞內(nèi)人員迅速撤離，同時禁止其他人員進入洞內(nèi)。人員撤離隧洞后，及時清點人數(shù)，查看傷亡情況。若有人員受傷，及時進行救治。隧洞現(xiàn)場負(fù)責(zé)人應(yīng)立即向項目部安全總監(jiān)報告塌方情況，安全總監(jiān)及時上報給項目部安全應(yīng)急指揮部啟動搶險救援機制。發(fā)現(xiàn)人員被困時，及時開展救援工作。需要特別注意的是:救援人員應(yīng)做好防護工作，在確保救援人員安全的條件下進行救援工作，防止救援過程中產(chǎn)生二次傷亡。由于現(xiàn)場條件所限無法進行救援工作時，要在安全區(qū)域待命，同時上報上級部門。

4.2 隧洞坍塌段處理措施

a.預(yù)防坍塌的施工措施。防止坍塌是確保隧洞工程質(zhì)量及安全的頭等大事，開挖、支護等工序的施工都必須以預(yù)防坍塌為核心，認(rèn)真對待。首先做到嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范，根據(jù)地質(zhì)變化因地制宜制定施工方案。開挖后做到早噴錨、強支護，寧早勿遲，寧強勿弱。勤檢查，勤量測，發(fā)現(xiàn)圍巖有異常變化，立即采取有效措施，及時處理。

b.坍塌的處理措施。預(yù)防隧洞施工坍塌，首先要做好地質(zhì)預(yù)報，選擇相應(yīng)安全合理的施工方法和措施?，F(xiàn)場施工時，主要遵循以下要點:?先排水;?短進尺;?弱爆破;?強支護;?快襯砌;?勤檢查;?勤量測 (變形觀測)。處理坍塌的方法及步驟:?深入現(xiàn)場觀察研究，分析坍塌原因，弄清坍塌規(guī)模、類型及發(fā)展規(guī)律，核對坍塌段的地質(zhì)構(gòu)造和地下水活動狀況，盡快制定切實可行的坍塌處理方案;?對一般性坍塌，在塌頂暫時穩(wěn)定之后，立即加固塌體四周圍巖，及時支護結(jié)構(gòu)物，托住頂部，防止塌穴繼續(xù)擴大;對于較大坍塌或冒頂，還應(yīng)妥善處理地表陷坑;?有地下水活動的坍塌，應(yīng)先止水，再治坍塌;?認(rèn)真制定坍塌處理中的安全措施，認(rèn)真組織坍塌處理專業(yè)隊伍，充分保證處理坍塌的必須器材設(shè)備供應(yīng)。

c.坍塌處理方法。不同類型的坍塌，選擇不同的處理方案。某些坍塌還需綜合處理才能達(dá)到目的。對于一般坍塌，采用錨噴法進行處理，處理程序如下:?排除淋水，用排水管插入排水孔內(nèi)30～60cm，排水管出口采用孔口裝置，將淋水導(dǎo)入排水溝內(nèi);?噴早強混凝土，封閉補平巖面，厚2～5cm;?安裝系統(tǒng)錨桿，采用22螺紋鋼，長3m，間排距0.6m×0.6m，梅花形布置;?掛網(wǎng)，規(guī)格為0.2m×0.2m，與巖面密貼并與錨桿頭焊接;?噴第二次早強混凝土，厚8～10cm。

隧洞坍塌段通過錨噴支護處理基本穩(wěn)定后，再采用管棚法施工工藝通過塌方段。在管棚法施工過程中嚴(yán)格控制進尺，同時保證管棚搭接深度，開挖爆破采用控制爆破技術(shù)，以確保隧洞圍巖不受過分?jǐn)_動，同時減少局部應(yīng)力集中，確保隧洞爆破巖面規(guī)整平順，為錨噴支護創(chuàng)造有利條件。對于不良地質(zhì)段，可利用管棚管進行固結(jié)注漿、加固隧洞圍巖，同時可起到止水作用，使圍巖盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。坍塌非常嚴(yán)重的部位，為防止四周巖體松動后產(chǎn)生更大規(guī)模的坍塌，應(yīng)在錨噴支護完成后對坍塌段進行混凝土澆筑，然后對洞頂孔穴進行回填和灌漿處理。

5 結(jié)語

新疆蓋孜河流域布侖口—公格爾水電站工程引水隧洞位于富水地層中，極易發(fā)生塌方事故。除采用上述施工工藝及方法外，還在開挖過程中，加強地質(zhì)跟蹤及預(yù)測，以便采取恰當(dāng)?shù)氖┕こ绦蚣按胧_保圍巖的穩(wěn)定;開挖鉆孔前打小導(dǎo)管超前支護或打超前錨桿，并利用小導(dǎo)管超前支護的鋼管灌注水泥漿或水泥砂漿，確保圍巖的穩(wěn)定;開挖鉆爆按照“小導(dǎo)洞、短進尺、弱爆破、勤支護、少擾動”的原則施工，并采用不同的分部開挖方法，減少一次支護的時間跨度，確保成洞的穩(wěn)定;開挖鉆爆后暫不出渣，經(jīng)安全處理后立即施作一次支護，采用砂漿錨桿、自進錨桿、噴混凝土、鋼纖維混凝土和鋼拱架等支護手段，形成柔性封閉圈，確保圍巖的穩(wěn)定。

［1］楊超先．緬甸電源電站引水隧洞不穩(wěn)定圍巖施工技術(shù)［J］．西北水電，2011(5)．

［2］李坤，佘成學(xué)．灌漿節(jié)理的剪切特性和剪切蠕變特性試驗［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2011(4)．