隧洞典型塌方案例分析及经验教训

陈长贵 杨玉银 黄 浩 刘志辉 陈 斌 张永强 张健鹏

（中国水利水电第五工程局有限公司 四川成都 610066）

0 引言

在地下工程施工中，尤其是IV、V类围岩开挖过程中，经常发生一些塌方事故[1][2]，但地下工程施工技术发展到今天，应该说所有的塌方事故都是可以预防或提前预测的，只是由于在施工中存在一些侥幸心理，对围岩地质情况了解不够透彻，不能按照围岩地质情况制定合理的支护方案，或者为了减少施工成本、加快工程进度，过早地减弱支护措施，造成支护强度不够，围岩自稳时间过短，可能在开挖循环所有支护措施尚未完成时，就已经发生塌方事故。本文对乌干达卡鲁玛尾水隧洞9#施工支洞0+38.87～0+42.50洞段塌方事故进行了分析、总结，给隧洞工程技术人员在制定或改变支护方案时，提供了可供参考的依据。

1 工程概况

卡鲁玛水电站尾水隧洞工程位于乌干达境内的卡尔扬东哥地区卡鲁玛村。尾水隧洞共两条：1#尾水洞长8 553.290 m，2#尾水洞长8 459.911 m，开挖断面呈平底马蹄形，开挖洞径宽13.7～14.8 m，高13.45～14.8 m，总投资5.9亿美元。

9#施工支洞与1#、2#尾水洞分别相交于TRT（1）5+335.88、TRT（2）5+317.98，全长717.55 m。本文研究对象为9#施工支洞IV类围岩洞段0+21.20～0+42.50洞段，开挖断面呈城门洞形，宽8.44 m、高7.30 m，底坡10.42%，采用钢支撑、挂网、系统锚杆、喷混凝土支护，如图1所示。钢支撑采用I16工字钢；挂网采用Ф6.5 mm钢筋，网格尺寸15 cm×15 cm；系统锚杆采用Ф25 mm螺纹钢，长4.5 m，间排距均为1.5 m；采用C25喷混凝土，厚22 cm，分两次喷射，初喷4 cm，复喷18 cm。

2 塌方情况及原因分析

2.1 塌方经过

2015年1月31 日14:05，9#支洞开挖爆破，单循环进尺3.0 m，掌子面桩号开挖至0+42.50；16:10出渣完毕，开始进行支护作业，2月1日0:10，正在进行钢支撑、挂网施工时，顶拱突然坍塌，挂网破坏、钢支撑严重变形，钻爆台车局部损坏，幸未造成人员伤亡。塌方空腔呈不规则三角体，下部宽7.4 m、钢支撑顶部以上塌腔高度3.05 m，洞轴线方向长3.63 m。塌落物呈散体结构，个别块度达80 cm×50 cm×30 cm。

2.2 塌方原因分析

本次塌方洞段从爆破到顶拱塌方共历经10 h 5 min，即塌方洞段围岩自稳时间仅10 h左右。塌方原因分析如下：

（1）设计围岩变类过早。2015年1月15日，9#支洞开挖至0+21.2桩号，设计地质人员现场勘察后，将围岩由V类变为IV类，开挖断面由马蹄形转换为城门洞形，取消了注浆小导管超前支护。实际情况是掌子面中下部围岩呈弱风化状，属中硬岩，接近于III类，但顶拱部位围岩风化程度较高，呈强风化状，属软岩，仍为V类围岩，自稳能力很差，取消超前支护存在较大安全隐患。经与设计方沟通，同意在变为IV类围岩后10 m范围内（0+21.20～0+31.20洞段），增设超前锚杆，超前锚杆采用Ф25 mm螺纹钢，长4.5 m，间距30 cm。自0+31.20洞段开始暂按IV类围岩支护，取消超前锚杆，支护方式见图1。

（2）设计支护方案存在缺陷。对于中下部接近III类，而顶拱却是V类的隧洞围岩，采用图1所示支护方式，存在较大设计缺陷。对于该类开挖断面必须采用超前支护，以延长顶拱围岩的自稳时间。实践证明对于0+38.87～0+42.50塌方洞段，围岩自稳时间仅10 h左右。实际开挖作业循环情况见表1，不难算出，每个开挖作业循环从爆破到支护完毕需要1 320 min，即22 h，完全依靠围岩自身的自稳能力，根本无法维持围岩自身的稳定，必须采取超前支护措施才能确保围岩稳定。

图1 IV类围岩支护设计图（单位：cm）

表1 IV类围岩开挖作业循环时间

（3）地质原因。塌方段地质结构如图2所示，隧洞顶部发育有两条大的节理面J1、J2，节理J1与节理J2交汇于隧洞左上方，距钢支撑顶部约3.0～3.2 m，两节理面下方三角体围岩呈强风化状，结构松散。节理面的存在大大降低了围岩的自稳能力，缩短了围岩自稳时间。

（4）单循环进尺偏大。塌方洞段钻孔深度3.2 m,根据以往施工经验，对于IV、V类围岩尤其是在没有超前支护的情况下，最大钻孔深度不宜超过2.2 m，以1.5 m左右为宜。尽管隧洞开挖采用了光面爆破，并且严格控制了装药量，爆破后开挖轮廓成形良好，但毕竟隧洞中下部为中硬岩，掏槽及崩落孔装药量不可能过小，较深的钻孔增大了单响装药量，必然增大了爆破振动对顶部松散岩体造成的挤压破坏，并且较大单循环开挖进尺使围岩在洞轴线方向暴露的跨度增大，这就进一步降低了围岩自稳能力。

图2 塌方洞段地质结构横剖面图（单位：cm）

在以上几方面原因综合作用下，导致了本次塌方事故，但最根本的原因是支护方案存在缺陷，没有进行超前支护，这直接导致了本次塌方事故。

3 塌方处理[3]

2014年2月1 日1:15，接到9#支洞发生塌方的汇报后，项目部工程技术人员和安全管理人员立即赶到现场。经近距离现场观察后，确认岩体基本稳定，但仍不时有小块塌落。经技术人员、安全人员、现场施工管理人员讨论研究后认为，该塌方部位不宜立即开始塌方处理，应等顶拱围岩小块塌落基本停止，稳定一段时间后再做处理。于是当晚掌子面塌方部位仅留两个人继续观察塌方情况，其余人员返回营地休息。

早上8:00，工程技术人员、现场施工人员再次赶到9#支洞塌方掌子面，经观察后，确认塌方部位已经稳定，随后确定了以下塌方处理方案，具体见图3。

（1）喷混凝土封闭塌方空腔顶板。本次塌方部位顶拱围岩强度很低、结构疏松，不宜遇水或打钻进行扰动，一旦进行扰动可能造成顶拱再次塌方，因此不宜采用锚杆支护，主要采用喷混凝土支护。由施工人员站在已支护的安全洞段向塌方段顶拱由外向内进行C25喷混凝土支护，厚度15 cm。

（2）重新架设钢支撑。顶拱喷混凝土完成后，将塌方破坏的钢支撑重新按照原设计要求架设，采用I16工字钢制作，间距80 cm。

（3）架设拱上拱。在原设计钢支撑架设完毕后，在钢支撑和塌方顶部岩面的喷混凝土间架设图3所示拱上拱支撑，要求拱上拱支撑尽量贴紧初喷混凝土面，拱上拱同样采用I16工字钢制作。

（4）塌方空腔顶板复喷混凝土。为了保证拱上拱与顶部初喷混凝土接触良好，在初喷混凝土15 cm基础上，再补喷5 cm厚C25混凝土。

（5）钢支撑顶部挂网。钢支撑顶部按照原设计要求挂网，采用Ф6.5 mm钢筋，网格尺寸15 cm×15 cm。

（6）预设超前小导管。在最靠近掌子面的一榀钢支撑拱部预设超前小导管，小导管采用Ф42 mm钢管，长3.5 m，间距30 cm，为下一步开挖做好准备。

（7）钢支撑模喷混凝土。在钢支撑下部架设简易模板，顶部先模喷30 cm左右C25混凝土，预留4根Ф80 mm、长100 cmPVC管；24 h后，待模喷混凝土达到设计强度的40%左右，再通过预留PVC管将钢支撑上部喷混凝土厚度补喷至100 cm，如图3所示。

图3 塌方洞段处理结构图（单位：cm）

（8）顶部空腔回填灌浆。钢支撑顶部回填喷混凝土7 d以后，喷混凝土达到设计强度的70%以上时，即可对顶部空腔进行回填灌浆，浆液采用水泥砂浆，配合比为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.7， 灌浆压力采用0.3～0.5 MPa。

4 经验教训

通过分析9#支洞塌方事故的原因，使我们认识到在隧洞开挖过程中围岩变更时，必须注意以下事项：

（1）设计地质人员在进行围岩分类变更，比如围岩由V类转为IV类时，必须对掌子面及开挖出露围岩进行细致的勘察，建议重点察看顶拱部围岩。当中下部围岩已经好转，已达到IV类，甚至于接近III类，但顶拱围岩较差，仍属V类时，其开挖支护设计方案应以顶拱围岩为主，仍应按照V类围岩确定顶拱设计支护参数。

（2）当掌子面出露围岩已经完全好转，但顶部以上较好围岩覆盖层厚度仍然很薄时，要求仍按照原设计支护方案确定支护参数。根据多年施工经验，按照隧洞跨度不同，当上覆较好岩层厚度达到表2所示数值时，才能按照顶部已出现的较好围岩确定支护参数。

表2 确定围岩支护参数的建议上覆较好岩层厚度

（3）超前支护是有效延长围岩自稳时间，保证初期支护顺利完成的关键。因此在围岩状况较差的情况下，取消超前支护时，必须慎重考虑。

（4）在IV、V类围岩开挖施工中，必须严格控制单循环进尺，V类围岩单循环进尺宜控制在1.0～1.5 m，IV类围岩宜控制在1.5～2.2 m，避免因单循环进尺过大，造成已支护洞段与掌子面间跨距偏大，这样可能会进一步降低围岩自稳时间。

（5）该洞段开挖期间，恰逢旱季，已近两个月未下雨，因此塌方洞段塌方空腔高度仅3 m左右。但该部位洞顶距地表仅23.65 m左右，且上覆岩体从上至下依次为黄土、全风化岩、强风化岩，遇水极易坍塌，因此该次塌方如果赶在雨季，可能存在冒顶风险，这更进一步说明了超前支护及控制单循环进尺的重要性。

5 结束语

乌干达卡鲁玛尾水隧洞9#支洞发生的这次塌方事故，虽然塌方量不大、塌腔高度不算高，但却是一次典型的塌方事故。称其为典型是因为该次塌方主要是由于V类围岩转IV类围岩过早，且IV类围岩设计支护方案存在缺陷（没有超前支护）造成的。目前，卡鲁玛尾水隧洞三条支洞开挖才刚刚开始，17 km的主洞开挖还未进行，且该项目所在区域有3/4时间处于雨季，因此，本次塌方给接下来的隧洞开挖工作敲响了警钟。同类塌方事故也同样发生在正在施工的卡鲁玛电站主交通洞（MAT）和逃生兼通风洞（EVT）中，可见，总结本次塌方经验、教训是十分必要的，同时本次塌方的经验教训对其他同类隧洞的开挖具有重要的指导意义。

［1］杨玉银，卢学文，等.某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及经验教训［J］.工程爆破，2010，16（3）：52-55.

［2］杨玉银，高印章，等.中长管棚在隧洞特大塌方处理中的应用［J］.山西水利科技，2013（2）：27-29,32.

［3］康世荣，陈东山.水利水电施工组织设计手册（2）施工技术［M］.北京：水利电力出版社，1990.