西南某水電站已開挖軟巖洞段塌方原因分析及處理方案研究

蘇 星，劉亞新，李忠爽

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

通常，中小型水電站的引水隧洞斷面尺寸較小，施工期一般采用全斷面爆破開挖并進(jìn)行及時(shí)支護(hù)。在復(fù)雜地質(zhì)條件如下（巖性多樣且強(qiáng)度差異大、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、地下水豐富），通過(guò)詳細(xì)分類的Ⅳ、Ⅴ類圍巖不穩(wěn)定-極不穩(wěn)定，在此條件下若開挖、支護(hù)措施不當(dāng)，即便是小斷面引水隧洞也極易發(fā)生塌方，導(dǎo)致工程進(jìn)度延期、費(fèi)用增加。近年來(lái)，學(xué)者們針對(duì)引水隧洞塌方洞段的原因以及處理措施進(jìn)行了多方面的研究［1］，提出了許多寶貴意見，有效指導(dǎo)了工程施工，減少了工程事故的發(fā)生。但多數(shù)論文、專題的研究對(duì)象為開挖過(guò)程中發(fā)生的塌方，對(duì)已開挖、支護(hù)洞段的塌方處理研究較少。

以西南某水電站引水隧洞已完成開挖支護(hù)的塌方洞段為例，筆者對(duì)塌方原因進(jìn)行了分析，闡述了處理的難點(diǎn)，提出了“超前固結(jié)+變形拱架處理+密排鋼拱架+鋼筋縱向連接+鋼筋網(wǎng)內(nèi)墊+噴射混凝土”的針對(duì)性處理方案，希望能為類似工程項(xiàng)目的施工以及塌方處理提供參考。

1 工程概況

西南某水電站工程位于四川省涼山彝族自治州的木里藏族自治縣境內(nèi)，為低壩日調(diào)節(jié)引水式電站，裝機(jī)容量172 MW。水電站主要由閘壩、引水系統(tǒng)、地面廠房等三部分組成。引水隧洞位于河流左岸，有壓隧洞長(zhǎng)約11.06 km，洞徑為8.5 m的馬蹄形斷面，縱坡降為2.062 1‰，平均水頭為117.7 m。隧洞垂向埋深一般為150～400 m，最淺埋深約為撒洼溝過(guò)溝段65.0 m，最深處達(dá)590 m，水平埋深一般為320～850 m。隧洞沿線地形高差懸殊多達(dá)500～1 500 m。

隧洞區(qū)處于前山背斜和甲溝向斜NW末端，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，隧洞穿過(guò)規(guī)模較大的斷層共有4條，分別為：基洼斷層、撒洼斷層、索根斷層和曼念吉岡斷層。巖體中隨機(jī)發(fā)育小斷層、擠壓破碎帶和層間錯(cuò)動(dòng)帶，層內(nèi)揉皺、撓曲等褶皺現(xiàn)象也較發(fā)育，地下水在過(guò)溝段、斷層帶、裂隙密集帶較活躍。隧洞沿線地層巖性多變、巖質(zhì)軟弱、構(gòu)造復(fù)雜，圍巖地質(zhì)條件差。

該水電站引水隧洞設(shè)6條施工支洞、12個(gè)開挖作業(yè)面進(jìn)行施工。引水隧洞各支洞控制段長(zhǎng)度不等，視地層條件以及作業(yè)隊(duì)施工進(jìn)度而定，介于1.4～2.0 km之間。引水隧洞6號(hào)支洞控制段樁號(hào)為T9+650 m～T11+060 m，于2020年4月7日全部開挖完成，預(yù)留約50 m長(zhǎng)度，從樁號(hào)約T9+700 m處向支洞口方向清基、底板基礎(chǔ)澆筑以及底板、邊頂拱襯砌。

2 塌方原因分析

2.1 引水隧洞塌方情況

2020年5月23日，引水隧洞已開挖并初期支護(hù)的洞段樁號(hào)為T10+510 m～T10+552 m段發(fā)生塌方，塌落體積約2 000 m3，未出現(xiàn)人員傷亡及機(jī)械設(shè)備損毀。堆積體呈半圓錐狀，堵塞隧洞約70%的斷面積，塌落體位于隧洞右側(cè)。洞身變形，右側(cè)邊墻向結(jié)構(gòu)線內(nèi)側(cè)方向內(nèi)縮約0.75～1.5 m。初期支護(hù)鋼拱架變形嚴(yán)重，錨桿及小導(dǎo)管被拔出，目測(cè)已基本失效。

2.2 塌方原因分析

由于引水隧洞長(zhǎng)達(dá)11 km，各開挖洞段巖性、構(gòu)造及地下水的條件均有所差異，因此施工過(guò)程中所采取的措施也有所不同。塌方發(fā)生后，為了及時(shí)總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)工程施工，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該洞段的塌方原因進(jìn)行了調(diào)查分析。

（1）圍巖地質(zhì)條件差。塌方洞段在樁號(hào)T10+510 m～T10+529 m段地層巖性以薄-極薄層狀板巖為主，局部夾炭質(zhì)板巖，為軟巖-較軟巖；巖層厚度小，單層厚度為0.3～2 cm；巖層總體產(chǎn)狀為近N50°E/SE∠60°，巖層走向與隧洞軸線呈40°斜交，隨機(jī)裂隙發(fā)育。在樁號(hào)T10+529 m處發(fā)育有一條小斷層，產(chǎn)狀為N30°E/NW∠80°，兩側(cè)巖體揉皺強(qiáng)烈，巖體破碎-極破碎。在樁號(hào)T10+529 m～T10+552 m段，地層巖性為極薄層狀板巖與砂巖互層，為軟巖-較軟巖；巖層厚度小，單層厚度一般0.2～2.5 cm；巖層產(chǎn)狀N45°W/NE∠40°～45°，與隧洞軸線呈50°～55°斜交，層面結(jié)合較差，揉曲明顯，巖體內(nèi)隨機(jī)裂隙發(fā)育。塌方洞段地下水以滲滴水為主，圍巖總體破碎-較破碎，以Ⅳ、Ⅴ類為主，圍巖不穩(wěn)定，易發(fā)生變形破壞。

（2）地下水影響。該水電站工程區(qū)汛期降雨量大，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。地表水通過(guò)巖層層面、隨機(jī)裂隙及斷層等結(jié)構(gòu)面下滲，隧洞出水受地表降雨補(bǔ)給。隧洞圍巖在地下水的作用下，巖體及結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)劣化，對(duì)圍巖的穩(wěn)定不利。

（3）施工影響。塌方發(fā)生時(shí)，工況為隧洞底板清基。由于底板浮渣清理較多，致使部分鋼拱架底腳懸空，鋼拱架在自重作用下對(duì)錨桿產(chǎn)生拉力，加之大型機(jī)械通行，在反作用下，一定程度上降低了支護(hù)的強(qiáng)度，構(gòu)成了隧洞塌方的誘發(fā)性外部條件。鑒于此，建議后續(xù)施工在圍巖較差的地段一次性清基長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)；鋼拱架底腳及時(shí)回填密實(shí)或者沿隧洞長(zhǎng)度方向上預(yù)先設(shè)一條寬度約20～30 cm的混凝土條帶作為鋼拱架的護(hù)腳。

（4）其他原因。隧洞開挖及初期支護(hù)完成后，在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力重新調(diào)整，特別是地質(zhì)條件較差的軟巖、較軟巖洞段頂拱及邊墻會(huì)發(fā)生較為明顯的蠕變。因此，圍巖塑型變形不斷擴(kuò)展，加大圍巖荷載，會(huì)導(dǎo)致原有初期支護(hù)不足，易產(chǎn)生坍塌。所以應(yīng)保證已開挖洞段的巡視及監(jiān)測(cè)頻次，及時(shí)預(yù)警，以避免工程事故的發(fā)生。

3 塌方處理方案

塌方處理的流程一般是先對(duì)緊鄰的未塌方洞段進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，如需加固未塌方段，利用塌方段圍巖暫時(shí)穩(wěn)定的間歇時(shí)間進(jìn)行施工，防止連鎖塌方的發(fā)生，之后再處理塌方洞段。塌方洞段的處理方法很多，如固結(jié)灌漿、管棚法、鋼拱架強(qiáng)支護(hù)等［2］。在工程中，一般都是多種方法組合使用，很少采用單一方法。塌方處理方法并不局限、也不固定于某種方法，應(yīng)根據(jù)塌方洞段的特點(diǎn)進(jìn)行分析，明確塌方洞段的難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上選擇合適的處理方案。

3.1 處理難度分析

不同于開挖過(guò)程中出現(xiàn)的塌方，引水隧洞已開挖洞段出現(xiàn)的塌方處理難度更大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）塌方洞段為已開挖并進(jìn)行初期支護(hù)的洞段。前期由于圍巖條件差，支護(hù)強(qiáng)度較高，支護(hù)形式為：鋼拱架+超前小導(dǎo)管+錨桿。系統(tǒng)支護(hù)的鋼拱架和錨桿等鋼構(gòu)件較多且已發(fā)生變形或破壞，施工前需進(jìn)行局部清理。

（2）塌方洞段上下游的圍巖條件差，處理不當(dāng)容易造成隧洞連鎖變形，甚至出現(xiàn)連續(xù)塌方。因此需要對(duì)臨近塌方段的已開挖、支護(hù)洞段進(jìn)行及時(shí)處理，保證其穩(wěn)定性，避免塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，而且正值汛期，塌方洞段圍巖有富水現(xiàn)象。

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的觀察，塌方段上部空腔較大，空腔處時(shí)有松動(dòng)巖塊掉落，機(jī)械設(shè)備施工難度大，機(jī)械擾動(dòng)容易導(dǎo)致空腔處二次塌方。

（4）6號(hào)支洞控制段上游發(fā)生塌方的洞段較長(zhǎng)，由于洞徑不大，不能滿足多輛機(jī)械設(shè)備同時(shí)施工，短期內(nèi)塌方處理難以完成，導(dǎo)致上游清基、襯砌澆筑均無(wú)法正常進(jìn)行，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，致使該段可能成為影響總工期的關(guān)鍵線路。因此需要選擇合適的塌方處理方案以提高效率，減輕塌方造成的工期影響以及經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 處理方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭露，引水隧洞洞段存在滲水的情況，如直接進(jìn)行灌漿加固，效果較差，因而應(yīng)優(yōu)先處理滲水，在塌方影響段及塌方段邊墻處均進(jìn)行排水孔施工，排水孔孔深3 m，間距2.4 m。由于隧洞埋深較深，地表水滲流路徑較長(zhǎng)，滲水速率以及流量不大，排水后地下水補(bǔ)給存在一定的間歇期，間歇期具備灌漿條件。

（1）塌方影響段的處理。塌方處理前，對(duì)臨近塌方的影響洞段進(jìn)行處理。塌方影響段巖體已經(jīng)產(chǎn)生一定松弛，不宜采用錨桿加固，噴漿僅能對(duì)表層加固起到效果，對(duì)于深層巖體效果不大，因此，應(yīng)主要選用固結(jié)灌漿，對(duì)深層巖體進(jìn)行加固；表層巖體選用加密鋼拱架+噴漿的方法進(jìn)行加固。從距塌方段10 m處向塌方段方向進(jìn)行施工，短進(jìn)尺循環(huán)向塌方段掌子面推進(jìn)，防止塌方區(qū)擴(kuò)大并為塌方段處理形成安全的施工作業(yè)環(huán)境。

（2）塌方段的處理方案。由于塌方段巖體破碎，且內(nèi)部鋼構(gòu)件較多，超前小導(dǎo)管或者管棚施工較為困難，因而不予考慮，現(xiàn)場(chǎng)宜采用固結(jié)灌漿加強(qiáng)塌方段巖體的整體性。塌方段采用“超前固結(jié)+變形拱架處理+密排鋼拱架+鋼筋縱向連接+鋼筋網(wǎng)內(nèi)墊+噴射混凝土”的形式進(jìn)行處理［3］，處理長(zhǎng)度控制在0.5～0.8 m。施工工序?yàn)椋浩扑閹r體固結(jié)灌漿→清理塌方體→處理清理出的變形拱架等鋼構(gòu)件→立鋼拱架→縱向鋼筋連接鋼拱架→掛鋼筋網(wǎng)→噴混凝土?？涨徊课惶幚矸绞綖椋汗绊斂涨桓叨刃∮? m且圍巖較穩(wěn)定的情況下，采用副拱對(duì)空腔進(jìn)行支撐。頂拱空腔高度大于2 m且存在掉塊時(shí)，在拱架安裝過(guò)程中預(yù)埋Φ108混凝土回填管，回填安裝施工時(shí)應(yīng)采用分梯級(jí)埋設(shè)。

重要施工工序如下：

①固結(jié)灌漿。將Φ42鋼管加工成花管形式，單根長(zhǎng)度設(shè)置為4.5 m或6 m，對(duì)塌方洞段進(jìn)行全段面固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿鉆孔外插腳按45°～60°控制，灌漿壓力為0.5～1 MPa，注漿水灰比為1∶0.8；灌漿完成后等強(qiáng)時(shí)間不小于12 h。

②變形拱架處理。變形段主要發(fā)生在洞身右側(cè)，洞身左側(cè)原支護(hù)拱架較完整。在新增鋼拱架安裝完成后，采用氣焊或電焊切割的方式割除原支護(hù)拱架的變形段。若具備工字鋼下接條件的，可局部刻槽將原支護(hù)拱架下接至底板；若不具有拱架下接條件時(shí)，在原支護(hù)拱架割除端頭部位，對(duì)L形錨桿進(jìn)行施工鎖定。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)詳細(xì)收集塌方段的地質(zhì)資料，分析塌方原因并選擇適宜的處理方案，項(xiàng)目方對(duì)西南某水電站引水隧洞樁號(hào)T10+510 m～T10+552 m的塌方段已進(jìn)行成功處理，重新布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧洞圍巖仍有微弱變形，但變形量較小且在允許范圍內(nèi)。本文通過(guò)對(duì)西南某水電站引水隧洞塌方段的原因分析與技術(shù)方案處理，得出以下經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論供類似工程參考。

（1）對(duì)地質(zhì)條件差的洞段，不僅需重視開挖過(guò)程中的初期支護(hù)，也應(yīng)給予已支護(hù)洞段足夠重視，保證已開挖洞段的監(jiān)測(cè)頻次，及時(shí)預(yù)警，避免塌方的發(fā)生。已支護(hù)軟巖洞段隨時(shí)間推移塑形變形區(qū)會(huì)不斷擴(kuò)展導(dǎo)致原有支護(hù)不足，需盡快完成永久支護(hù)或必要時(shí)不定期加強(qiáng)支護(hù)。

（2）處理塌方前，及時(shí)評(píng)估塌方影響段的洞室穩(wěn)定，根據(jù)需要采取必要的加固措施，以防止影響段發(fā)生連鎖變形而導(dǎo)致塌方洞段的長(zhǎng)度及規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）已開挖洞段含有大量鋼構(gòu)件，不宜采用管棚施工，應(yīng)采取短進(jìn)尺循環(huán)施工，切割無(wú)用鋼構(gòu)件，保留局部有用的鋼構(gòu)件，有效降低工程成本。