某水电站引水隧洞塌方原因分析及处理措施

殷建军，李士明，蒋 冲

(1.浙江瓯能集团尼汝河水电开发公司，浙江丽水 674400;2.长江岩土工程总公司地质公司，湖北武汉 430010)

某水电站引水隧洞塌方原因分析及处理措施

殷建军1，李士明2，蒋 冲1

(1.浙江瓯能集团尼汝河水电开发公司，浙江丽水 674400;2.长江岩土工程总公司地质公司，湖北武汉 430010)

某水电站引水隧洞穿越一宽33 m的断层破碎带 (f484)，在开挖过程中，发生了较大范围的塌方。对塌方的主要原因进行分析，提出了“先固结塌方体，再低强度开挖，后加强支护”的总体处理措施，经施工后未发生变形，效果良好。

引水隧洞;塌方;地质分析;止浆墙;台阶法

0 引言

某水电站位于云南省香格里拉县境内的尼汝河下游，是尼汝河梯级开发中的第四级，以发电为主的日调节电站。水库正常蓄水位1 910.30 m。主要建筑物由混凝土溢流坝、右岸引水隧洞、岸边地面式厂房等组成。引水隧洞线路总长约10.5 km，设计引水流量35.5 m3/s，隧洞开挖断面尺寸约 5.8 m ×5.6 m，电站装机容量为120 MW。

引水隧洞桩号Y1+188～Y1+260段分布板岩、板灰岩及碎石块、断层破碎带，地下水活跃，岩石软弱。该隧洞段位于区域性大断裂木星土逆冲断层F48的NW侧，距离约1.5 km，岩体大部分受断层影响，挤压变形强烈，局部派生数条逆冲断层，节理、裂隙发育，成洞条件差，多处出现涌水、塌方及岩体变形，尤以桩号Y1+197～Y1+230段塌方、突水规模较大，本文针对该段塌方的原因进行了分析，提出了处理措施。

1 塌方特征

1.1 塌方过程

2010年5月1日，桩号Y1+197掌子面开挖爆破后，发现开挖面线右(自上游向下游，下同)拱部出现渗水现象，并伴有小块渣体塌落。随即地质人员进行了综合分析，预报该段发育一断层(f484)，可能发生塌方，建议施工单位加强监测，并采取相应的应对措施。随后，施工单位开始正常出渣，边出渣边塌落;出渣即将结束时，线右侧上方出现小规模塌方，伴有线状流水和碎石块塌落，搅拌混凝土进行素喷时，边喷边有碎石块塌落;5月2日发生大规模塌方，形成沿隧洞长13.4 m、高5.6 m的三角形渣体;同日，掌子面突水，涌水量400～500 L/min，并伴有塌方;5月3日突水量仍未减少，且有渣体继续塌落;5月4日以后，涌水量渐小至30 L/min左右，基本趋于稳定，有轻微的塌落声。

1.2 塌方体特征

塌方渣体沿隧洞分布长13.4 m，部分渣体填满隧洞，估算方量180 m3。

碎块石为玄武岩、硅质板岩、板岩夹少量的板灰岩及断层角砾岩，粒径最大0.8 cm，一般 0.1 ～0.3 m，呈棱角状，含量占85% ～90%;并有灰白色、黑色软塑状的泥质物，呈团状包裹碎块石。

泥质胶结或无胶结。断层上、下盘影响带岩体破碎，影响带宽9～14 m，劈理发育，局部发育软弱夹层，呈不规则的网格分布，延伸长，线密度5～8条/m，内充填灰岩岩屑或石英粉末，泥质胶结，胶结差。发生突水现象，地下水活动强烈，属强风化岩体，围岩类别为Ⅴ类。

2 塌方原因分析

2.1 基本地质条件

塌方段引水隧洞埋深286～303 m，为深埋隧洞［1］，隧洞轴线距尼汝河水边440 m。

引水隧洞围岩地层岩性为二叠系下统中村组(P1z2)炭质板岩、千枚状板岩夹板灰岩等，产状268°～300°∠28°～42°。岩石轻微变质，挤压变形严重。塌方段为一逆断层(见图1)，发育于二叠系下统中村组P1z2地层，断层破碎带宽33 m，断层产状倾向254°～270°，倾角45°～56°，断层带岩体呈散体结构，由碎块岩、断层泥等组成，断层破碎带胶结差。

图1 工程地质平面示意图Fig.1 Schematic plan of engineering geology

该断层上、下游岩体多属弱风化—微新岩体。节理、裂隙发育两组：①154°∠35°，延伸长，略平直，充填板理化板岩岩屑或钙膜，局部充填石英，线密度8～12条/m;② 100°～130°∠30°，延伸长，弯曲，面粗糙，见擦痕。虽节理、裂隙倾角较缓，但呈微张开—张开状，且内充填板理化岩屑，胶结差—中等，不利于洞室围岩稳定。根据围岩工程地质分类［2］，属Ⅴ类围岩。

2.2 塌方原因分析

首先，该段为断层，断层带宽度较大，达33 m，其断层带内岩体破碎，胶结差，且存在断层泥，对隧洞围岩极为不利，属Ⅴ类围岩。

其次，断层破碎带岩体破碎，是地下水储存的良好部位，也是地下水通道，为导水带，其两侧岩体炭质板岩、千枚状板岩，属隔水岩体，地下水均富集在断层带中。该段施工时，出现连日的暴雨，地表水下渗到断层破碎带，水压力增大，本来泥质胶结差的岩体，经爆破和应力释放后，加剧了断层破碎带岩体结构的变化，贯通地下水渗漏通道。

第三，钻爆法施工已不适应该段的地质条件。现阶段隧洞的开挖都以新奥法理论为指导，但在实际施工中，施工方法与地质条件不相适应时，不能采用新奥法施工，因围岩的变形同时具有连续变形和突然变形的特征。因此，在超埋深、高地应力及水文地质条件改变和钻爆法施工动力干扰下等内外部因素影响的条件下进行地下工程施工，就会在正常断面变异为异性断面的开挖施工中，出现应力集中、围岩大变形、断面变异，从而导致地质与断面条件恶化而发生塌方。

2.3 塌方平均高度理论计算

深埋隧洞的临界深度(hq)以隧洞顶部盖层能否形成压力拱(平衡拱)为原则［3］。一般是采用塌方平均高度hq的2～2.5倍。

表1 各类围岩塌方高度平均值Table 1 Height average of different wall rock collapse

根据表1，本段围岩类别为Ⅴ类，计算塌方平均高度约为40 m。

3 塌方处理措施

塌方处理方案的好与坏，直接影响到经济损失，有可能造成人员伤亡，故处理措施的选择是关键。本工程处理的原则是先巩固后方，防止塌方扩大，以安全的后方为依托或掩护再向前进行处理。一般认为塌方发生后在一定时间内趋于稳定，形成自然拱，而自然拱的高度、宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符。

3.1 塌方处理依据

前苏联学者M·M普洛托雅克诺夫(简称普氏)以松散理论为基础［4］，认为在松散介质中开挖隧道后，隧道上方将形成抛物线的平衡拱，平衡拱高度h为：

式中：h——平衡拱高度(m);b——平衡拱的半跨度(m);fk——岩石坚固性系数，岩石fk=R/10;R——岩石的抗压极限强度(MPa)，取值应考虑岩体裂隙及节理的影响。

在隧道侧壁稳定时，即拱部塌方时，平衡拱宽度就是开挖宽度，即b=bt(见图2及图3)。

图2 平衡拱宽度示意图Fig.2 Schematic diagram of balanced arch width

图3 侧壁不稳时平衡拱宽度示意图Fig.3 Schematic diagram of balanced arch width when lateral wall is unsteady

当侧壁不稳定时，平衡拱宽度为：

式中：Ht——隧道净高(m);bt——隧道净宽之半(m)。

3.2 塌方处理方案比选

隧洞施工贯彻“保护围岩、内实外美、重视环境和动态施工”的理念，塌方段施工方案的选择，主要根据工程地质条件和水文地质条件、施工条件、围岩类别、隧洞埋深、隧洞断面尺寸大小和长度、衬砌类型，因此，处理措施的合理制定，是重中之重。

目前，国内处理塌方体的方案通常有三种：① 盾构法;②管棚法;③台阶法。

若采用“盾构法”施工，虽可一次性成洞，不存在塌方或变形问题，但需调配一套完备的机械设备，周期长，成本高，影响工期;采用“管棚法”施工，成本低(与盾构法施工相比)，但施钻困难(开挖断面小，钻机难于摆放)、成孔性差(局部存在松散砂粒)、容易卡钻、下管难度大，因而工期长，影响发电的总体目标;采用“台阶法”施工，虽单循环进尺控制在1 m以内，但可降低掌子面高度，减小掌子面面积，也相应降低塌方的机率。

通过对塌方段现场勘察并综合分析，结合隧道工程施工理论，本工程处理遵循“台阶法”原则，在此基础上，采用“先固结塌体后方、施做止浆墙、固结塌方体、再台阶法开挖(低强度)、后加强联合支护”的总体处理措施方案。

3.3 塌方处理

在软弱围岩中，提供围岩自支护能力的基本方法是控制围岩的松弛、坍塌，其原则是稳定掌子面，及时封闭和加固地层。

塌体后方固结灌浆：塌方体后方围岩的整体性受到破坏，先对塌体后方进行固结灌浆(图4)。沿开挖面范围平行于隧洞中线方向施做无缝注浆花管进行固结灌浆，梅花型布置，排间距2.0 m。浆液采用水泥—水玻璃双液浆，注浆终压为0.3 MPa。

图4 隧洞塌方处理示意图Fig.4 Schematic diagram of tunnel collapse treatment

施做止浆墙：喷射砼施做止浆墙，对开挖面及开挖轮廓线外进行固结灌浆。

固结塌方体：塌方体物质为松散的碎块石及断层泥，需进行固结灌浆。塌体坡脚桩号为Y1+184.1，考虑清渣至桩号Y1+186开始施做止浆墙，沿塌体坡面喷射砼止浆墙，开始施做注浆管;隧洞范围下部布置三排注浆管，梅花型布置;止浆墙及核心注浆管前布置两排。

施做超前小导管：在拱部150°范围开挖轮廓线外20 cm处，设置无缝超前小导管，环向间距0.2 m，纵向排间距0.6 m。采用水泥—水玻璃双液浆进行注浆，注浆终压为0.6 MPa。

隧洞开挖：采用“台阶法”开挖，即将设计断面分成上半断面和下半断面两次开挖成型，先上部后下部、先线左后线右的开挖方法。塌方段断面按30 cm的预留变形量进行考虑，初次支护完成后待衬砌前至少保证设计衬砌。

工字钢架安装：上断面开挖完成后，采用I18城门洞型工字钢架，安装间距30～50 cm，每榀中部及底部设工字钢横撑，且钢架直墙底部设纵向连接工字钢梁，起连接及防沉降作用;钢架间设双层连接筋。

施做锁脚锚管及网片安装：每榀钢架两边钢架接头及底脚每侧各施做斜下锁脚锚管，并采用双液浆进行注浆;在钢架范围施做双层钢筋网片，必要时，采用双层网片。

喷射混凝土：沿钢架范围喷射混凝土，厚度30 cm。

底板混凝土加固：前方边开挖边对后方底部进行清渣和底部开挖，施做底板I18工字钢横撑和砼施工。采用混凝土全铺;工字钢横撑为类似梯形，与已支护的边墙钢架连接。

径向注浆加固处理：沿拱墙钢架支护面范围施做径向无缝注浆焊管，梅花型布置。浆液采用水泥—水玻璃双液浆，注浆终压为0.6 MPa。固结灌浆时，应注意偏压，造成初期支护失效。

对于塌方段的塌腔部分，根据塌腔高度，采用泵送砼进行回填。

4 塌方处理效果评价

塌方体岩石抗压极限强度R=5 MPa，平衡拱的半跨度b=2.8 m，根据平衡拱理论进行计算平衡拱高度h=5.6 m，回填砼高度8.7 m(后期钻孔验证)，实际回填高度大于理论计算高度，满足要求。数月对塌方段进行监测，未发生变形，反映塌方体已基本稳定，处理效果良好。

5 结论

(1)塌方段为一逆冲断层，岩体呈散体结构，由碎块岩、断层泥等组成，泥质胶结，胶结差，地下水活动强烈，围岩类别为Ⅴ类。其地质条件差与水文地质条件的改变是导致塌方的主导因素。

(2)通过塌方处理方案必选，最终确定“先固结塌体后方，再施做止浆墙，固结塌方体，台阶法开挖(低强度)，后加强联合支护”的总体处理措施。经实施后，未发生变形，处理效果良好。

(3)地质人员超前对该处进行了地质预报，其结论与开挖揭露的地质情况吻合，为塌方段处理方案的制定提供了先决条件，更为引水隧洞的顺利施工起到了一定的指导作用。

［1］徐泽民，等.隧洞的埋深划分［J］.中国地质灾害与防治学报，2000，11(4)：7 －10.

［2］水利部.水利水电工程地质勘察规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［3］铁道部第二勘测设计院.铁路隧洞设计规范(TBT3—96)［S］.北京：中国铁道出版社，1998.

［4］宋建波，等.岩体经验强度准则及其在地质工程中的应用［M］.北京：地质出版社，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

殷建军 (1979－)，男，工程师，水利水电工程建筑专业，从事水利水电工程管理工作。E－mail：44980597@qq.com

于继红)