富水地层隧洞塌方原因及处理措施

(中铁十一局集团第三工程有限公司，湖北十堰 442012)

1 工程概况

新疆盖孜河流域布仑口—公格尔水电站工程位于新疆克尔柯孜自治州阿克陶县境内的盖孜河上，坝址枢纽区距喀什市153km，距阿图什市192km，距阿克陶县城 100km，电站位于坝址枢纽区下游约 19km(以17.5km引水隧洞引水)。工程区沿线有314国道(中巴公路)通过，另外南疆铁路通到喀什市，该工程对外交通比较方便。

布仑口—公格尔水电站工程是一座具有灌溉、发电、防洪和改善生态等综合利用效益的大型水电站工程，布仑口水库是盖孜河中游河段的龙头水库，也是该河唯一具有多年调节性能的控制性水库。所属公格尔水电站是盖孜河中游河段的第一个梯级电站。水库正常蓄水位 3290.00m，总库容6.44亿 m3，正常蓄水位下库容5.267亿m3，死水位3280.00m，最大坝高35m。其电站装机容量200MW，保证出力69.8MW，多年平均有效发电量6.73亿 kW·h;布仑口水库具有多年调节性能，其电站可参与系统调峰。工程土石方开挖总量约248.53万 m3，填筑总量约91.9万 m3，引水隧洞17.5km，混凝土总量约28.44万 m3，沥青混凝土约0.46万 m3，喷护混凝土约2.45万 m3，钢筋钢材总量约1.92万t。该工程由拦河坝、左岸发电引水系统、地面发电厂房和导流兼泄洪冲沙洞、右岸岸边式溢洪道等组成。

1.1 拦河坝

拦河坝为浇筑式沥青混凝土心墙坝，由沥青混凝土心墙、上下游过渡料层、坝壳、下游混合过渡料层、坝脚压重台组成，上游坝面采用混凝土面板护坡，下游坝面为干砌石护坡。

1.2 泄水建筑物

开敞式溢洪道布置于右坝肩，由引渠段、控制段、泄槽段、渥奇段、陡坡扩散段、消能段、退水渠段组成，全长658.034m。导流兼泄洪冲沙洞布置在左岸，全长703.137m，由引渠、进口事故闸井、洞身、工作闸井、出口扩散段、消力池、退水渠组成。

1.3 引水建筑物

引水系统布置在左岸，由引水渠、进水口、引水隧洞、调压井、压力管道、岔管、支管等组成。

1.4 发电厂房及开关站

发电厂房由主厂房、安装间、副厂房及 GIS室、尾水建筑物等组成。主厂房内安装3台67MW水轮发电机，总装机200MW，开关站设置3台主变压器。

2 富水地层隧洞塌方原因

富水地层隧洞塌方有两方面因素:地质因素和施工因素。

2.1 地质因素

隧洞穿过富水地层的断层及其破碎带，一经开挖，潜在应力释放，承压快，围岩失稳变形而坍塌。当通过各种堆积体时，由于富水地层结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌。在富水地层的挤压破碎带、岩脉穿插带、节理密集等碎裂结构地层中，岩块间互相挤压钳制，一经开挖则失稳，常见围岩掉块、坍落。在软弱结构面发育的情况下，或泥质充填物过多，均易产生较大坍塌。富水地层的薄层岩体在构造运动作用下形成的小褶曲、错动发育地段，施工中常常发生坍塌。富水地层岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱夹层的岩体强度大大降低，发生滑塌。富水地层受地下水软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用会加剧岩体的失稳和坍落。

2.2 施工因素

富水地层隧洞施工时，施工方法选择不当，或工序间距安排不合理，容易引发塌方。富水地层隧洞施工的各工序间隔时间较长，围岩裸露时间过久，引起围岩松动、风化，导致坍塌的发生。富水地层隧洞施工喷锚不及时，或喷混凝土质量、厚度不符合要求，容易引起塌方。富水地层隧洞施工采用钢支撑时，支撑架设质量欠佳，支撑与围岩不密贴，两者间的空隙填塞不密实，或联结不够牢固，不能满足围岩压力所需要的强度要求时，容易引发塌方。富水地层隧洞施工钢支撑出现受力过大的现象而未及时加固出现应力集中造成失稳破坏，极易导致塌方。富水地层隧洞施工爆破作业未按照相关施工规范、技术参数施工，处理危石措施不当，引起危石坠落，牵动岩层坍塌。

3 富水地层隧洞塌方预防措施

富水地层隧洞施工时容易引发塌方事故，针对塌方发生的原因，可从以下几个方面进行预防。

a.做好超前地质预报工作。该工程的引水隧洞局部洞段位于地下水位线以下，施工开挖接近设计探明的富水、富泥及断层破碎带时，要认真及时地分析和观察开挖工作面岩性变化，遇有探孔突水、涌泥、渗水增大和整体性变差等现象，及时改变施工方案。

b.加强围岩观测工作。已开挖完成的洞段每隔10m设置一组观测点，必要时要加密观测点，拱顶及两侧拱肩部位分别布置一观测点。初期观测:每天进行观测点测量，若发现围岩局部有变形则加密测量;后期观测:若初期观测围岩无变形现象则每周观测一次。通过对测量数据分析处理，按照“时间—位移”曲线规律，及时调整和加强初期支护，同时重视混凝土衬砌，及时施作。

c.严格控制爆破装药量，尽量减小对软弱破碎围岩的扰动。严格控制开挖工序，尤其是一次开挖进尺，杜绝各种违章施工。保证施工质量，超前预注浆固结止水，钢支撑制作、初期支护和混凝土衬砌混凝土质量必须符合设计及验标要求。

d.施工期间，洞口应常备一定数量的塌方抢险材料，如方木、钢支撑、钢板等，以备急用。安全员随时对围岩及已支护面进行表面观测，如发现表面裂隙等坍塌趋势，应立即进行处理。

e.有下述现象发生时，应先撤出工作面上的施工人员和机械设备，指定专人观察并进行加固处理:围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快;围岩面不断掉块、剥落;初期支护喷混凝土表面龟裂、裂缝或脱皮掉块，钢支撑严重变形。

4 富水地层隧洞坍塌应急处理

4.1 基本应急措施

发现塌方时，应立即发出警报信号，通知洞内人员迅速撤离，同时禁止其他人员进入洞内。人员撤离隧洞后，及时清点人数，查看伤亡情况。若有人员受伤，及时进行救治。隧洞现场负责人应立即向项目部安全总监报告塌方情况，安全总监及时上报给项目部安全应急指挥部启动抢险救援机制。发现人员被困时，及时开展救援工作。需要特别注意的是:救援人员应做好防护工作，在确保救援人员安全的条件下进行救援工作，防止救援过程中产生二次伤亡。由于现场条件所限无法进行救援工作时，要在安全区域待命，同时上报上级部门。

4.2 隧洞坍塌段处理措施

a.预防坍塌的施工措施。防止坍塌是确保隧洞工程质量及安全的头等大事，开挖、支护等工序的施工都必须以预防坍塌为核心，认真对待。首先做到严格执行设计标准、设计规范，根据地质变化因地制宜制定施工方案。开挖后做到早喷锚、强支护，宁早勿迟，宁强勿弱。勤检查，勤量测，发现围岩有异常变化，立即采取有效措施，及时处理。

b.坍塌的处理措施。预防隧洞施工坍塌，首先要做好地质预报，选择相应安全合理的施工方法和措施。现场施工时，主要遵循以下要点:ⓐ先排水;ⓑ短进尺;ⓒ弱爆破;ⓓ强支护;ⓔ快衬砌;ⓕ勤检查;ⓖ勤量测 (变形观测)。处理坍塌的方法及步骤:ⓐ深入现场观察研究，分析坍塌原因，弄清坍塌规模、类型及发展规律，核对坍塌段的地质构造和地下水活动状况，尽快制定切实可行的坍塌处理方案;ⓑ对一般性坍塌，在塌顶暂时稳定之后，立即加固塌体四周围岩，及时支护结构物，托住顶部，防止塌穴继续扩大;对于较大坍塌或冒顶，还应妥善处理地表陷坑;ⓒ有地下水活动的坍塌，应先止水，再治坍塌;ⓓ认真制定坍塌处理中的安全措施，认真组织坍塌处理专业队伍，充分保证处理坍塌的必须器材设备供应。

c.坍塌处理方法。不同类型的坍塌，选择不同的处理方案。某些坍塌还需综合处理才能达到目的。对于一般坍塌，采用锚喷法进行处理，处理程序如下:ⓐ排除淋水，用排水管插入排水孔内30～60cm，排水管出口采用孔口装置，将淋水导入排水沟内;ⓑ喷早强混凝土，封闭补平岩面，厚2～5cm;ⓒ安装系统锚杆，采用22螺纹钢，长3m，间排距0.6m×0.6m，梅花形布置;ⓓ挂网，规格为0.2m×0.2m，与岩面密贴并与锚杆头焊接;ⓔ喷第二次早强混凝土，厚8～10cm。

隧洞坍塌段通过锚喷支护处理基本稳定后，再采用管棚法施工工艺通过塌方段。在管棚法施工过程中严格控制进尺，同时保证管棚搭接深度，开挖爆破采用控制爆破技术，以确保隧洞围岩不受过分扰动，同时减少局部应力集中，确保隧洞爆破岩面规整平顺，为锚喷支护创造有利条件。对于不良地质段，可利用管棚管进行固结注浆、加固隧洞围岩，同时可起到止水作用，使围岩尽快达到稳定状态。坍塌非常严重的部位，为防止四周岩体松动后产生更大规模的坍塌，应在锚喷支护完成后对坍塌段进行混凝土浇筑，然后对洞顶孔穴进行回填和灌浆处理。

5 结语

新疆盖孜河流域布仑口—公格尔水电站工程引水隧洞位于富水地层中，极易发生塌方事故。除采用上述施工工艺及方法外，还在开挖过程中，加强地质跟踪及预测，以便采取恰当的施工程序及措施，确保围岩的稳定;开挖钻孔前打小导管超前支护或打超前锚杆，并利用小导管超前支护的钢管灌注水泥浆或水泥砂浆，确保围岩的稳定;开挖钻爆按照“小导洞、短进尺、弱爆破、勤支护、少扰动”的原则施工，并采用不同的分部开挖方法，减少一次支护的时间跨度，确保成洞的稳定;开挖钻爆后暂不出渣，经安全处理后立即施作一次支护，采用砂浆锚杆、自进锚杆、喷混凝土、钢纤维混凝土和钢拱架等支护手段，形成柔性封闭圈，确保围岩的稳定。

［1］杨超先．缅甸电源电站引水隧洞不稳定围岩施工技术［J］．西北水电，2011(5)．

［2］李坤，佘成学．灌浆节理的剪切特性和剪切蠕变特性试验［J］．武汉大学学报(工学版)，2011(4)．