引水隧洞塌方原因探討及處理措施分析

曹仰海

(福建省沙縣官昌水庫(kù)管理處，福建 沙縣 365512)

引水隧洞塌方原因探討及處理措施分析

曹仰海

(福建省沙縣官昌水庫(kù)管理處，福建 沙縣 365512)

引水隧洞在當(dāng)今引水系統(tǒng)中的應(yīng)用日益增加，其重要性與日俱增。本文介紹了福建省內(nèi)幾處典型的引水隧洞塌方案例，并總結(jié)了塌方原因，對(duì)處理措施進(jìn)行探討和分析。結(jié)論可為將來(lái)類似的引水隧洞塌方預(yù)防和處置提供一定借鑒和指導(dǎo)。

引水隧洞；塌方；處理措施；效果

福建省屬于多山地區(qū)，采用環(huán)山明渠作為水電站或調(diào)水工程引水方案時(shí)，滲漏問題一直都較為嚴(yán)重，且山區(qū)地段的邊坡是否穩(wěn)定也容易對(duì)明渠的工作造成一定影響。此外，明渠征地費(fèi)用在現(xiàn)今的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下也越來(lái)越制約著其應(yīng)用和發(fā)展。

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。并且，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)。因而采用開挖隧洞的方式進(jìn)行引水，在福建省內(nèi)越來(lái)越廣泛[1-2]。

然而，隧洞開挖導(dǎo)致的塌方屢見不鮮，往往造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[3-4]，需要引起足夠的重視。因此，本文探討了福建省內(nèi)幾處典型的引水隧洞塌方案例，希望能夠?yàn)楹髞?lái)的引水隧洞工程提供警示作用，為類似的引水隧洞塌方處置提供一定的借鑒。

1 案例分析

1.1 一都溪萬(wàn)利水庫(kù)引水隧洞

1.1.1 塌方介紹

一都溪萬(wàn)利水庫(kù)長(zhǎng)期供應(yīng)著福清市的用水，對(duì)于化解福清市工農(nóng)業(yè)及居民生活用水的緊張狀況具有舉足輕重的地位。該水庫(kù)的引水隧洞工程[5]位于一都鎮(zhèn)萬(wàn)利村，主洞于1993年2月開挖至樁號(hào)0+445處，此處遇到斜交洞線的張扭性F3斷層及其派生的次級(jí)斷裂帶，以及侵入F3斷層帶的輝綠玢巖巖脈。此處的圍巖為次正長(zhǎng)斑巖，因?yàn)槭艿綆r漿侵入活動(dòng)和多期次構(gòu)造斷裂的影響，圍巖極度破碎，且地下水源十分豐富。大量脈巖風(fēng)化形成的粉土經(jīng)過豐富的地下水浸泡，再受到開挖擾動(dòng)后，形成“泥石流”狀態(tài)的流態(tài)物質(zhì)涌入洞內(nèi)，瞬間使得洞內(nèi)泥漿深度達(dá)到1 m。

隧洞圍巖本身的穩(wěn)定性較差，在開挖的作用下容易持續(xù)發(fā)生坍塌，屬于極不穩(wěn)定的圍巖類型。由于施工之前對(duì)如此復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件缺乏足夠的準(zhǔn)備，使得支護(hù)和應(yīng)急設(shè)備較為缺乏，致使塌方不斷加劇。通過多方論證，決定增補(bǔ)勘察工作，準(zhǔn)確摸清地質(zhì)情況，以便能夠有的放矢地為塌方處置提供適合的方案。

1.1.2 塌方原因分析

引水隧洞的洞線位于閩東中生代火山巖地層，圍巖主要是次石英正長(zhǎng)石斑巖和英安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、凝灰熔巖、安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r等中酸性火山巖巖組。該地段內(nèi)存在三組斷裂，分別為北東、北西和北東東向。

其中，北東向斷裂為張扭性F3斷裂，寬度大致為5～6 m，傾角相對(duì)較高，與隧洞洞線斜向相交，是造成塌方的重要原因之一。此外，圍巖由于多次遭受巖漿侵入和擠壓破碎的影響而變得極為破碎，風(fēng)化程度較高，全風(fēng)化深度超過30 m。地表距塌方處洞底僅21 m，洞身巖土體主要為全風(fēng)化狀的輝綠玢巖，屬極不穩(wěn)定的散體結(jié)構(gòu)，而脈巖上下游兩側(cè)接觸帶的圍巖(次石英正長(zhǎng)斑巖)又屬極不穩(wěn)定(Ⅴ類)和不穩(wěn)定(Ⅳ類)圍巖。

上述斷裂帶和接觸破碎帶又為地下水的富集提供了良好的條件，水源補(bǔ)給充足，儲(chǔ)量較為豐富，地下水流量約為200 ～ 250 L/min。地下水容易在開挖后的隧洞所形成的通道集中排泄，這無(wú)形中也成為了致塌的特定條件。

因此，綜合來(lái)看，樁號(hào)0+445段隧洞塌方的內(nèi)在地質(zhì)原因是強(qiáng)烈的破碎帶和風(fēng)化極為完全的巖土體，加上豐富的地下水影響；而隧洞塌方的外部因素則是隧洞開挖所導(dǎo)致的臨空面生成，使得原本就較為脆弱的破碎巖土體有了發(fā)生大變形的空間，從而在重力的作用下失穩(wěn)，造成了隧洞塌方。

另一個(gè)不容忽視的主觀人為原因則是地質(zhì)勘探工作不夠精細(xì)和全面，導(dǎo)致對(duì)其復(fù)雜水文工程地質(zhì)條件的惡劣影響判斷不足，施工過程中的應(yīng)急支護(hù)準(zhǔn)備不充分，從而使得塌方迅速發(fā)展，造成工期延誤和工程投資超額。

1.1.3 塌方處置方案

經(jīng)過多種支護(hù)方案的比選后，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的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)的正視圖。大體的操作步驟為：

(1)從塌方起始段的頂拱處，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。

(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，再重復(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。因而能夠?yàn)閷?lái)類似的塌方處置提供一定借鑒。

圖1 鋼支架管棚支護(hù)方案

1.2 福建省某人防工程引水隧洞

1.2.1 塌方介紹

該引水隧洞位于福建省某人防工程[6]，采用進(jìn)出口兩個(gè)工作面相向的方式進(jìn)行開挖，其長(zhǎng)度為350 m，開挖斷面為7 m×7 m。離洞口20 m的出口工作面洞段屬坡殘積土和全風(fēng)化巖覆蓋層，結(jié)構(gòu)較為松散，穩(wěn)定性較差，采用鋼拱架進(jìn)行支護(hù)開挖；而離洞口20～35m的洞段(0+020～0+035)，其拱頂為中風(fēng)化巖層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和堆積土層，覆蓋層較厚，所揭露的巖層整體性較好，因而開挖時(shí)采用網(wǎng)噴支護(hù)(也即掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，下同)的手段進(jìn)行支護(hù)即可。當(dāng)開挖到樁號(hào)0+60 m時(shí)，樁號(hào)0+020～0+035處原網(wǎng)噴支護(hù)洞段的拱頂出現(xiàn)塌方險(xiǎn)情，塌方體為松散土狀，長(zhǎng)度約為12 m、高度12 m。因此隧洞開挖受阻，工期受限，亟需采取有效的支護(hù)措施，以便安全、迅速?gòu)?fù)工。

1.2.2 塌方原因分析

將2016年1月—2018年5月作為本次研究時(shí)間段，選擇對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的60例異位妊娠患者作為研究對(duì)象，患者的年齡為20～44歲，平均年齡為（28.64±2.31）歲，患者的停經(jīng)時(shí)間為36～69天，平均停經(jīng)時(shí)間為（46.32±1.69）天，患者均伴隨存在一定程度的下腹部疼痛和不適現(xiàn)象，同時(shí)存在不同量的陰道不規(guī)則出血現(xiàn)象，均對(duì)患者實(shí)施了尿妊娠實(shí)驗(yàn)和血人絨毛膜促性腺激素水平檢查，并均已通過檢查確診妊娠。其中4例患者接受開腹手術(shù)治療、36例患者接受氨甲蝶呤保守治療、20例患者接受腹腔鏡手術(shù)治療。

如前所述，塌方段位于樁號(hào)0+020 ～ 0+035處，其覆蓋層自下而上的組成物質(zhì)分別為中風(fēng)化層(厚2 m)、強(qiáng)-全風(fēng)化層(厚4 m)和松散堆積層。由于中風(fēng)化層的支撐作用，拱頂圍巖在網(wǎng)噴支護(hù)下仍能維持臨界平衡狀態(tài)；而當(dāng)隧洞開挖至樁號(hào)0+035時(shí)，由于拱頂巖層變成硬度較大的中風(fēng)化-弱風(fēng)化的花崗巖，因而施工中采用更大的裝藥量進(jìn)行爆破掘進(jìn)，導(dǎo)致對(duì)周圍巖土體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)破壞效應(yīng)加大，從而使得原本處于臨界平衡狀態(tài)的圍巖失去穩(wěn)定，無(wú)法承受上覆巖土體的重量，進(jìn)而導(dǎo)致塌方的發(fā)生，方量約為1000 m3。

因此，對(duì)隧洞拱頂圍巖穩(wěn)定性的判斷不足，加上爆破施工時(shí)單位裝藥量過大，欲速則不達(dá)，是造成這次塌方的主要原因。

1.2.3 塌方處置方案

通過眾多塌方處理方案的比選，本案例最終采納了“鋼拱架支護(hù)+自進(jìn)式錨桿”相結(jié)合的方案。

自進(jìn)式錨桿(見圖2)的主要構(gòu)件為鉆頭、鉆桿(錨桿)、連接套、釬套。其圓錐形的鉆頭采用合金鋼鑄造，并預(yù)留漿液出孔。為增強(qiáng)砂漿與錨桿之間的黏結(jié)作用，錨桿表面采用螺紋形式，桿身為高抗拉強(qiáng)度的合金鋼無(wú)縫鋼管，施工時(shí)采用專用連接套逐根連接，直至所需的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

塌方處置的大致思路為：以自進(jìn)式錨桿(設(shè)計(jì)排距為3 m，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度為6 m，鉆進(jìn)角度<5°)為超前錨桿，由塌方體掌子面拱頂鉆進(jìn)。在完成超前錨桿的鉆進(jìn)后，利用錨桿灌漿體對(duì)巖層進(jìn)行加固；然后對(duì)掌子面上的浮土進(jìn)行人工清除，每掘進(jìn)0.5 m左右安裝一榀鋼拱架(按照錨桿設(shè)計(jì)排距3 m，每排錨桿需配備約6榀鋼拱架)，并采用網(wǎng)噴支護(hù)。按照該思路，反復(fù)循環(huán)直至穿過塌方體。

圖2 自進(jìn)式錨桿示意圖

歷經(jīng)25 d的處置，最終成功穿越了塌方體。總結(jié)經(jīng)驗(yàn)可知，常規(guī)錨桿和小導(dǎo)管在較為松散破碎的巖層和塌方體中成孔質(zhì)量較差，而自進(jìn)式錨桿的優(yōu)越性在于其鉆進(jìn)、安裝、注漿、錨固、超前支護(hù)一氣呵成，在這種地層條件下不失為一種有效的替代手段。

1.3 福清市閩江調(diào)水工程五馬山隧洞

1.3.1 塌方介紹

五馬山隧洞[7]位于福清市閩江調(diào)水工程。該隧洞的塌方段位于小南洋支洞D22+895處，事發(fā)當(dāng)時(shí)仍在施工中，塌方從2008年9月底開始，持續(xù)到11月底，已經(jīng)造成了總長(zhǎng)度為8 m、最大寬度為6.5 m的塌方體，形成了一個(gè)高度超過10 m的空腔。

1.3.2 塌方原因分析

在地質(zhì)條件方面，區(qū)域性斷層是造成此次塌方的客觀原因，塌方段內(nèi)存在一定的破碎帶，同時(shí)，此處地下水富集，并夾雜有泥質(zhì)，施工期間還有大量地下水涌出，進(jìn)一步惡化了原本地質(zhì)條件就欠佳的巖體穩(wěn)定性。再者，經(jīng)過后續(xù)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，塌方區(qū)頂部是一個(gè)采石場(chǎng)，覆蓋層遭到嚴(yán)重破壞，且在洞室開挖過程中還受到爆破振動(dòng)的影響，從而造成了塌方的發(fā)生。

1.3.3 塌方處置方案

經(jīng)過多種處置方案的對(duì)比論證后，初步擬定更改線路和采用“灌漿+復(fù)合支護(hù)”強(qiáng)行穿過塌方體這兩種方案，見表1。

采用更改線路的方案，不確定因素相對(duì)較多，例如地質(zhì)條件尚不明確、隧洞孔徑過小而測(cè)量難度大、轉(zhuǎn)彎半徑較小等。因此，可能導(dǎo)致改線方案的工期過長(zhǎng)、成本過高，在施工操作上具有較大難度；并且，也無(wú)法確保灌漿質(zhì)量和施工安全，對(duì)隧洞的后續(xù)使用存在一定影響。

“灌漿+復(fù)合支護(hù)”強(qiáng)行穿過塌方體的大致思路為：在繼續(xù)開挖前首先對(duì)巖土體進(jìn)行灌漿加固，使得巖土體達(dá)到一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性后，再一邊開挖一邊設(shè)置支護(hù)，逐步通過塌方體。與更改線路的方案相比，該方案施工較為便利，塌方體形成的松散堆積物與周圍巖土體通過灌漿加固后凝結(jié)在一起，穩(wěn)定性較好，具有更好的操作空間，因而大大增強(qiáng)了開挖時(shí)的安全性。

表1 方案對(duì)比

通過表1中的對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)格控制施工質(zhì)量、保障安全性的基礎(chǔ)上，利用“灌漿+復(fù)合支護(hù)”以穿過塌方體這一方案的優(yōu)越性是顯而易見的。因此，權(quán)衡利弊后，本工程采用“灌漿+復(fù)合支護(hù)”強(qiáng)行穿過塌方段的方案。支護(hù)方案的斷面示意見圖3。大體的操作步驟為：

①將多根螺紋鋼插入塌方體拱頂?shù)膸r體之間，以便穩(wěn)固塌方體。

②采用漿砌塊石封堵塌方處的掌子面，同時(shí)需預(yù)留注漿孔，以便下一步的注漿工序。

③按照從上到下、逐層進(jìn)行的原則，通過在第②步中預(yù)留的注漿孔，向塌方體灌漿。

④待漿液固結(jié)具有一定強(qiáng)度后，在塌方體中設(shè)置超前錨桿，而后進(jìn)行開挖，與此同時(shí)還需采用鋼拱架支撐，并進(jìn)行首次網(wǎng)噴支護(hù)，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

⑤在支護(hù)完成后進(jìn)行二次噴漿至設(shè)計(jì)厚度。

圖3 支護(hù)斷面圖

實(shí)際施工工期20 d后順利通過塌方體，未發(fā)生任何險(xiǎn)情，觀測(cè)結(jié)果表明錨桿受力狀態(tài)良好，隧洞較為穩(wěn)定，說(shuō)明本案例所采用“灌漿+復(fù)合支護(hù)”方案是合理可行的。

2 結(jié) 論

本文介紹了福建省內(nèi)幾處典型的引水隧洞塌方案例，并對(duì)塌方原因和處置方案進(jìn)行了總結(jié)、探討和分析。隧洞開挖前探明地質(zhì)條件是一切重中之重，也是整個(gè)工程成功與否的先決條件；在施工過程中密切關(guān)注施工環(huán)境和巖土層條件的變化，充分準(zhǔn)備應(yīng)急裝備，并合理地調(diào)整施工方案，防止盲目跟進(jìn)工期，避免欲速不達(dá)，是扭轉(zhuǎn)災(zāi)難發(fā)生的重要時(shí)機(jī)。在塌方發(fā)生后，因地制宜地選擇處置方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，靈活地采用一種或多種支護(hù)手段相結(jié)合的方法，是亡羊補(bǔ)牢、達(dá)到事半功倍的關(guān)鍵。本文的案例分析中，有的采用“鋼支架管棚支護(hù)”即可達(dá)到效果，而有的則需巧妙地采用“鋼拱架支護(hù)+自進(jìn)式錨桿”或“灌漿+復(fù)合支護(hù)”的多重方案才可確保萬(wàn)無(wú)一失。

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Analysis of treatment measures and discussion on the causes of landslide of diversion tunnel

CAO Yanghai

(AdministrativeOfficeofGuanchangreservoirofShaxian,Shaxian365512,China)

The application of diversion tunnel is increasing in diversion system, makes it more and more important. This paper take several typical diversion tunnel collapse as an example, summed up the reasons of collapse and analysis the treatment measures. The conclusion can provide some reference for the treatment of similar diversion tunnel collapse in the future.

diversion tunnel；collapse；treatment measure；effect

曹仰海(1967-)，男，福建三明人，工程師，主要從事水利工程施工工作。E-mail：863286718@qq.com。

TV554

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2096-0506(2017)05-0047-04