引水隧洞塌方原因探讨及处理措施

引水隧洞塌方原因探讨及处理措施

胡永贤胡佳豪

中铁隧道股份有限公司450003

摘要：引水隧洞在当今引水系统中的应用日益增加，其重要性与日俱增。隧洞塌方处理是隧洞工程施工过程中安全风险高、施工难度大的一项施工技术。要组织相关人员到塌方现场调查研究，查明塌方的范围、性质以及塌方区围岩的地质构造和地下水活动情况，认真分析形成塌方的原因，及时制定出可行的塌方处理方案。

关键词：引水隧洞；塌方；原因；处理措施

1导言

采用引水隧洞的形式，一方面能够缩短引水长度，有利于减少对良田耕地的侵占和对植被的毁坏；另一方面，地质条件良好的引水隧洞可少采用甚至不采用衬砌，这大大节省了修建隧洞的投资。并且，隧洞开挖所产生的石料也是一种宝贵资源，这对于造价与常规明渠相比相对较高的引水隧洞来说，是一种可观的经济回报。

2工程概述

橙子沟水电站位于陇南市武都区外纳乡至文县临江乡之间，引水隧洞沿白龙江右岸布置，引水发电系统调压井前全长17.20491km，引用流量Q=260.5m3/s，为有压引水隧洞，纵向坡比为0.19%。引水隧洞为圆形断面，Ⅲ、Ⅳ类围岩采用钢筋混凝土全断面砌衬，开挖洞径为11.5m、12.1m，衬砌后洞径均为10.5m，洞内流速3.01m/s；Ⅱ类围岩采用底部素衬及顶部喷混凝土衬砌，开挖洞径为12.5m，衬砌后洞径为12.2m，洞内流速2.21m/s。

3塌方原因分析

引水隧洞施工中发生塌方的原因很多，主要为以下几个方面：

3.1地质勘察资料与工程实际不符，对可能出现的塌方，没有可靠的预防处理技术措施。一旦遇到软弱、破碎带地层，往往措手不及造成塌方。

3.2对不良地质地段的隧洞衬砌厚度不够，不能满足承载力要求，不能承受可能出现的山岩压力，完工后结构遭到破坏，进而引起塌方。

3.3设计时，为了节约工程投资，过分追求较短的洞线，以便缩短洞身长度，获得良好经济效益，往往将洞轴线选在垭口最底处，趁沟进洞和出洞，且晚进洞、早出洞，加大了洞口处的开挖深度和洞脸仰坡的高度，却对地质和施工的不利因素不予去方位的考虑，在隧洞洞口和洞身施工中都可能发生塌方。水工设计人员进行隧洞设计时，将隧洞轴线选在了不良的地质区域，没有避开不良地层：如饱和粘土、流沙、堆积层；断裂、褶皱带；节理、裂隙发育带；含有各种不利的软弱结构的围岩，以及溶洞、陷穴等地质不良区域。当隧洞穿越不稳定地层时，很容易发生塌方。地下水发育的地区和地表水渗漏明显的地段，隧洞围岩的强度大大降低，加之空隙水的作用，在隧洞开挖过程中，极有可能发生坍塌冒顶，如不采取有效的工程措施，将会形成极大的塌方。

4引水隧洞塌方处理措施

4.1塌方处理重点及难点

4.1.1该段发生连续塌方，且塌方较大，在施工过程中极易发生再次塌方，施工安全是该段处理施工的重点。

4.1.2塌方段围岩地质条件较差，支护时采用钢筋网及喷混凝土施工，且喷混凝土厚度较大，需分层喷射混凝土，如何安全有效的进行处理是施工的重点及难点。

4.1.3塌方段顶拱塌落高度最大高度16m，对塌方空腔挂网、喷混凝土、锚杆打安时围岩面与作业台车距离较远，施工难度大，且锚杆钻孔时极易对顶拱岩层产生震动发生二次塌方，需加强现场安全监测。

4.1.4塌方段处理前需先行对塌方段上下游钢支撑采取锁口加固处理，以防塌方段向上下游延伸，让塌方段处理有一个安全空间。

4.1.5该塌方段处理部位比较特殊，在各项项目施工处理过程中必须把安全放在首位，在上部安全隐患未排除及网喷混凝土未形成前，不能进行锚杆施工及贸然进行塌方体出渣。受安全因素限制，塌方段处理时只能稳步由下游向上游逐步推进。

4.2正确选择引水隧洞的布置及线路

隧洞从开挖、衬砌到灌浆，工序多.干扰大，施工条件较差，工期一般较长。施工导流隧洞或兼有导流任务的隧洞，其施工进度往往控制整个工程的工期。因此，采用新的施工方法，改善施工条件，加快施工进度和提高施工质量是隧洞工程建设中值得研究的重要课题。泄水隧洞的线路选择是设计中的关键，它关系到隧洞的造价、施工难易、工程进度、运行可靠性等方面。因此，应该在勘测工作的基础上拟定不同方案，考虑各种因素，进行技术经济比较后选定。选择洞线的一般原则和要求为：

隧洞的线路在满足水利枢纽总布置要求的条件下，宜选在沿线地质构造简单、岩体完整稳定、岩石坚硬、覆盖岩层厚度足够大、水文地质条件有利及施工方便的地区，应尽量避开不利的地质构造、地应力高、地下水位高、渗水量丰富的地段，以减小作用于衬砌上的围岩压力和外水压力。在高地应力地区，宜使洞线与最大水平地应力方向有小夹角，以减小隧洞的侧向围岩压力。隧洞的进、出口应选在岩体足够厚、比较坚固完整的地段，避开有严重的顺坡卸荷裂隙或断层等滑坡地带。若这种地带或全、强风化岩层很厚的地带难以避免，则应明挖至合格地段作为进出口位置洞线应力求短直，若因地形、地质、枢纽布置等原因必须转弯时，应以光滑曲线相连。若流速小于20m/s，弯道半径不宜小于5倍（无压隧洞）或3倍（有压隧洞）的洞径或洞宽，转角都不宜大于600，弯道两端的直线段也不宜小于5倍洞径或洞宽。对于高流速无压洞，弯道会引起强烈的水面倾斜和冲击波，水流流态，很不利，故不应设置曲线段。对于高流速有压洞，因流速分布很不均，其转弯半径及转角宜通过试验确定。

泄水隧洞的进口应力求水流顺杨，否则会减小泄流能力，引起不利的流态，甚至在一定条件下，在进口附近会形成串通性或间歇性淤涡。出口水流应能与下游河道平顺衔接，并与土石坝坡脚及其他建筑物保持一定距离，以防冲刷和影响枢纽的正常运行。

4.3钢支撑底脚脱空的处理方法

对钢支撑底脚脱空部位采用I20工字钢分区分段支护方法进行，根据现场该塌方段上下游侧均出现不同程度的钢支撑脱空现象，共计101m，施工时分两个区域进行施工，第一区为引2+850m～引2+920m，第二区为引2+806m～引2+770m。首先处理第一区钢支撑脱空部位，再进行第二区处理施工，施工时自引2+850m开始向下游侧进行，2+806m开始向上游侧进行，首先对下层开挖断面进行测量，在加工厂根据测量断面加工底部钢支撑，并根据该区域上层钢支撑脱空情况每隔5～10m使下部钢支撑与已支护钢支撑进行对接，然后对钢支撑衔接部位进行加固，并用φ25的连接筋对钢支撑加固，然后在底部钢支撑之间浇混凝土20cm，局部可根据现场实际情况加厚，以覆盖钢支撑为准，使之形成整体。

4.4引水隧洞塌方处理措施

塌方发生后的处理应按“小塌清、先支后清”和“大塌穿，先棚后穿”的原则快速进行。所谓“小塌清、先支后清”，就是指当塌方量不大时，可采用将塌方全部清除的处理方法。在清除塌方之前，应将塌方的顶部支撑牢固，避免继续塌落，防止洞顶掉块砸伤施工人员。因为当隧洞发生第一次塌方后，自然拱范围内的土石还有继续坍塌的可能，塌方坑道的两侧边坡常不稳定，先清除塌碴可能会使侧壁失去平衡而松动塌落，塌方坑道进一步增宽，自然拱进一步增高而再次塌方。如此反复，极有可能引发大塌方。当然，若围岩地质条件较好，塌方只是局部的松软夹层，且范围不大，经分析不会继续塌方时，也可对塌方进行清除处理，再进行支撑或不支撑。

结束语

综上所述，隧洞开挖前探明地质条件是一切重中之重，也是整个工程成功与否的先决条件；在施工过程中密切关注施工环境和岩土层条件的变化，充分准备应急装备，并合理地调整施工方案，防止盲目跟进工期，避免欲速不达，是扭转灾难发生的重要时机。该塌方段处理施工方案经过多次优化实施，有效保障了施工过程中的施工安全、提高了施工效率，缩短了工期，为电站如期实现发电目标创造了有利条件，对隧洞工程类似塌方处理具有一定借鉴意义。

参考文献：

[1]颜英军.橙子沟水电站引水隧洞塌方地质分析及处理措施[J].资源环境与工程，2017，31（01）：85-88.

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