引水隧洞塌方原因探讨及处理措施分析

曹仰海

(福建省沙县官昌水库管理处，福建 沙县 365512)

引水隧洞塌方原因探讨及处理措施分析

曹仰海

(福建省沙县官昌水库管理处，福建 沙县 365512)

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。本文介绍了福建省内几处典型的引水隧洞塌方案例，并总结了塌方原因，对处理措施进行探讨和分析。结论可为将来类似的引水隧洞塌方预防和处置提供一定借鉴和指导。

引水隧洞；塌方；处理措施；效果

福建省属于多山地区，采用环山明渠作为水电站或调水工程引水方案时，渗漏问题一直都较为严重，且山区地段的边坡是否稳定也容易对明渠的工作造成一定影响。此外，明渠征地费用在现今的市场经济体制下也越来越制约着其应用和发展。

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。因而采用开挖隧洞的方式进行引水，在福建省内越来越广泛[1-2]。

然而，隧洞开挖导致的塌方屡见不鲜，往往造成重大的经济损失和人员伤亡[3-4]，需要引起足够的重视。因此，本文探讨了福建省内几处典型的引水隧洞塌方案例，希望能够为后来的引水隧洞工程提供警示作用，为类似的引水隧洞塌方处置提供一定的借鉴。

1 案例分析

1.1 一都溪万利水库引水隧洞

1.1.1 塌方介绍

一都溪万利水库长期供应着福清市的用水，对于化解福清市工农业及居民生活用水的紧张状况具有举足轻重的地位。该水库的引水隧洞工程[5]位于一都镇万利村，主洞于1993年2月开挖至桩号0+445处，此处遇到斜交洞线的张扭性F3断层及其派生的次级断裂带，以及侵入F3断层带的辉绿玢岩岩脉。此处的围岩为次正长斑岩，因为受到岩浆侵入活动和多期次构造断裂的影响，围岩极度破碎，且地下水源十分丰富。大量脉岩风化形成的粉土经过丰富的地下水浸泡，再受到开挖扰动后，形成“泥石流”状态的流态物质涌入洞内，瞬间使得洞内泥浆深度达到1 m。

隧洞围岩本身的稳定性较差，在开挖的作用下容易持续发生坍塌，属于极不稳定的围岩类型。由于施工之前对如此复杂的地质环境条件缺乏足够的准备，使得支护和应急设备较为缺乏，致使塌方不断加剧。通过多方论证，决定增补勘察工作，准确摸清地质情况，以便能够有的放矢地为塌方处置提供适合的方案。

1.1.2 塌方原因分析

引水隧洞的洞线位于闽东中生代火山岩地层，围岩主要是次石英正长石斑岩和英安质晶屑熔结凝灰岩、凝灰熔岩、安质晶屑熔结凝灰岩等中酸性火山岩岩组。该地段内存在三组断裂，分别为北东、北西和北东东向。

其中，北东向断裂为张扭性F3断裂，宽度大致为5～6 m，倾角相对较高，与隧洞洞线斜向相交，是造成塌方的重要原因之一。此外，围岩由于多次遭受岩浆侵入和挤压破碎的影响而变得极为破碎，风化程度较高，全风化深度超过30 m。地表距塌方处洞底仅21 m，洞身岩土体主要为全风化状的辉绿玢岩，属极不稳定的散体结构，而脉岩上下游两侧接触带的围岩(次石英正长斑岩)又属极不稳定(Ⅴ类)和不稳定(Ⅳ类)围岩。

上述断裂带和接触破碎带又为地下水的富集提供了良好的条件，水源补给充足，储量较为丰富，地下水流量约为200 ～ 250 L/min。地下水容易在开挖后的隧洞所形成的通道集中排泄，这无形中也成为了致塌的特定条件。

因此，综合来看，桩号0+445段隧洞塌方的内在地质原因是强烈的破碎带和风化极为完全的岩土体，加上丰富的地下水影响；而隧洞塌方的外部因素则是隧洞开挖所导致的临空面生成，使得原本就较为脆弱的破碎岩土体有了发生大变形的空间，从而在重力的作用下失稳，造成了隧洞塌方。

另一个不容忽视的主观人为原因则是地质勘探工作不够精细和全面，导致对其复杂水文工程地质条件的恶劣影响判断不足，施工过程中的应急支护准备不充分，从而使得塌方迅速发展，造成工期延误和工程投资超额。

1.1.3 塌方处置方案

经过多种支护方案的比选后，最终采用钢支架管棚支护方案，如图1所示，其中图1(a)显示了沿着隧洞深度方向布置的多榀钢支架管棚支护结构的侧视图，图1(b)为其中一榀钢支架管棚支护结构的正视图。大体的操作步骤为：

(1)从塌方起始段的顶拱处，将钢管密布打入尚未发生塌方的破碎岩土体中形成管棚。

(3)在临时支护系统形成后，可先对管棚下浮土和破碎岩体进行挖除，再重复步骤(1)和(2)，不断扩大、深入支护系统的范围，进而又可继续对破碎风化岩土体进行清除；如此循序渐进，直至完全通过破碎带。

(4)在上述步骤实施完毕后，可全段或分段做永久性钢筋混凝土衬砌。

实践证明，本工程所采用的钢架管棚方案能够有效地遏制塌方的发展，截至目前，历经十余年，仍然保持稳定。因而能够为将来类似的塌方处置提供一定借鉴。

图1 钢支架管棚支护方案

1.2 福建省某人防工程引水隧洞

1.2.1 塌方介绍

该引水隧洞位于福建省某人防工程[6]，采用进出口两个工作面相向的方式进行开挖，其长度为350 m，开挖断面为7 m×7 m。离洞口20 m的出口工作面洞段属坡残积土和全风化岩覆盖层，结构较为松散，稳定性较差，采用钢拱架进行支护开挖；而离洞口20～35m的洞段(0+020～0+035)，其拱顶为中风化岩层、强风化岩层和堆积土层，覆盖层较厚，所揭露的岩层整体性较好，因而开挖时采用网喷支护(也即挂钢筋网喷射混凝土支护，下同)的手段进行支护即可。当开挖到桩号0+60 m时，桩号0+020～0+035处原网喷支护洞段的拱顶出现塌方险情，塌方体为松散土状，长度约为12 m、高度12 m。因此隧洞开挖受阻，工期受限，亟需采取有效的支护措施，以便安全、迅速复工。

1.2.2 塌方原因分析

将2016年1月—2018年5月作为本次研究时间段，选择对应时间段内的60例异位妊娠患者作为研究对象，患者的年龄为20～44岁，平均年龄为（28.64±2.31）岁，患者的停经时间为36～69天，平均停经时间为（46.32±1.69）天，患者均伴随存在一定程度的下腹部疼痛和不适现象，同时存在不同量的阴道不规则出血现象，均对患者实施了尿妊娠实验和血人绒毛膜促性腺激素水平检查，并均已通过检查确诊妊娠。其中4例患者接受开腹手术治疗、36例患者接受氨甲蝶呤保守治疗、20例患者接受腹腔镜手术治疗。

如前所述，塌方段位于桩号0+020 ～ 0+035处，其覆盖层自下而上的组成物质分别为中风化层(厚2 m)、强-全风化层(厚4 m)和松散堆积层。由于中风化层的支撑作用，拱顶围岩在网喷支护下仍能维持临界平衡状态；而当隧洞开挖至桩号0+035时，由于拱顶岩层变成硬度较大的中风化-弱风化的花岗岩，因而施工中采用更大的装药量进行爆破掘进，导致对周围岩土体结构的振动破坏效应加大，从而使得原本处于临界平衡状态的围岩失去稳定，无法承受上覆岩土体的重量，进而导致塌方的发生，方量约为1000 m3。

因此，对隧洞拱顶围岩稳定性的判断不足，加上爆破施工时单位装药量过大，欲速则不达，是造成这次塌方的主要原因。

1.2.3 塌方处置方案

通过众多塌方处理方案的比选，本案例最终采纳了“钢拱架支护+自进式锚杆”相结合的方案。

自进式锚杆(见图2)的主要构件为钻头、钻杆(锚杆)、连接套、钎套。其圆锥形的钻头采用合金钢铸造，并预留浆液出孔。为增强砂浆与锚杆之间的黏结作用，锚杆表面采用螺纹形式，杆身为高抗拉强度的合金钢无缝钢管，施工时采用专用连接套逐根连接，直至所需的设计长度。

塌方处置的大致思路为：以自进式锚杆(设计排距为3 m，设计钻进深度为6 m，钻进角度<5°)为超前锚杆，由塌方体掌子面拱顶钻进。在完成超前锚杆的钻进后，利用锚杆灌浆体对岩层进行加固；然后对掌子面上的浮土进行人工清除，每掘进0.5 m左右安装一榀钢拱架(按照锚杆设计排距3 m，每排锚杆需配备约6榀钢拱架)，并采用网喷支护。按照该思路，反复循环直至穿过塌方体。

图2 自进式锚杆示意图

历经25 d的处置，最终成功穿越了塌方体。总结经验可知，常规锚杆和小导管在较为松散破碎的岩层和塌方体中成孔质量较差，而自进式锚杆的优越性在于其钻进、安装、注浆、锚固、超前支护一气呵成，在这种地层条件下不失为一种有效的替代手段。

1.3 福清市闽江调水工程五马山隧洞

1.3.1 塌方介绍

五马山隧洞[7]位于福清市闽江调水工程。该隧洞的塌方段位于小南洋支洞D22+895处，事发当时仍在施工中，塌方从2008年9月底开始，持续到11月底，已经造成了总长度为8 m、最大宽度为6.5 m的塌方体，形成了一个高度超过10 m的空腔。

1.3.2 塌方原因分析

在地质条件方面，区域性断层是造成此次塌方的客观原因，塌方段内存在一定的破碎带，同时，此处地下水富集，并夹杂有泥质，施工期间还有大量地下水涌出，进一步恶化了原本地质条件就欠佳的岩体稳定性。再者，经过后续调查后发现，塌方区顶部是一个采石场，覆盖层遭到严重破坏，且在洞室开挖过程中还受到爆破振动的影响，从而造成了塌方的发生。

1.3.3 塌方处置方案

经过多种处置方案的对比论证后，初步拟定更改线路和采用“灌浆+复合支护”强行穿过塌方体这两种方案，见表1。

采用更改线路的方案，不确定因素相对较多，例如地质条件尚不明确、隧洞孔径过小而测量难度大、转弯半径较小等。因此，可能导致改线方案的工期过长、成本过高，在施工操作上具有较大难度；并且，也无法确保灌浆质量和施工安全，对隧洞的后续使用存在一定影响。

“灌浆+复合支护”强行穿过塌方体的大致思路为：在继续开挖前首先对岩土体进行灌浆加固，使得岩土体达到一定强度和稳定性后，再一边开挖一边设置支护，逐步通过塌方体。与更改线路的方案相比，该方案施工较为便利，塌方体形成的松散堆积物与周围岩土体通过灌浆加固后凝结在一起，稳定性较好，具有更好的操作空间，因而大大增强了开挖时的安全性。

表1 方案对比

通过表1中的对比也可以发现，在严格控制施工质量、保障安全性的基础上，利用“灌浆+复合支护”以穿过塌方体这一方案的优越性是显而易见的。因此，权衡利弊后，本工程采用“灌浆+复合支护”强行穿过塌方段的方案。支护方案的断面示意见图3。大体的操作步骤为：

①将多根螺纹钢插入塌方体拱顶的岩体之间，以便稳固塌方体。

②采用浆砌块石封堵塌方处的掌子面，同时需预留注浆孔，以便下一步的注浆工序。

③按照从上到下、逐层进行的原则，通过在第②步中预留的注浆孔，向塌方体灌浆。

④待浆液固结具有一定强度后，在塌方体中设置超前锚杆，而后进行开挖，与此同时还需采用钢拱架支撑，并进行首次网喷支护，增强稳定性。

⑤在支护完成后进行二次喷浆至设计厚度。

图3 支护断面图

实际施工工期20 d后顺利通过塌方体，未发生任何险情，观测结果表明锚杆受力状态良好，隧洞较为稳定，说明本案例所采用“灌浆+复合支护”方案是合理可行的。

2 结 论

本文介绍了福建省内几处典型的引水隧洞塌方案例，并对塌方原因和处置方案进行了总结、探讨和分析。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。在塌方发生后，因地制宜地选择处置方法，根据现场条件，灵活地采用一种或多种支护手段相结合的方法，是亡羊补牢、达到事半功倍的关键。本文的案例分析中，有的采用“钢支架管棚支护”即可达到效果，而有的则需巧妙地采用“钢拱架支护+自进式锚杆”或“灌浆+复合支护”的多重方案才可确保万无一失。

[1] 严良平. 福建龙津溪引水隧洞岩爆分析与防治研究[J]. 建筑知识, 2015(7): 42-44，48.

[2] 卓文仁. 黄兰溪二级水电站高压引水隧洞原型观测成果分析[J]. 水电站设计, 2002, 18(4): 98-101.

[3] 潘秀峰，党立英，付智琴，等. 对团结水电站引水隧洞在施工中塌方导致冒顶的分析与研究[J]. 黑龙江水利科技, 2002, 30(3): 80-81.

[4] 孜比江，赵国斌. 基于某引水隧洞断层带塌方处理[J]. 黑龙江水利科技, 2013, 41(5): 137-139.

[5] 吴前金. 一都溪引水隧洞工程不良地质地段的施工措施[J]. 水利科技, 1998 (4): 31-33.

[6] 罗建兴. 自进式锚杆在隧洞塌方处理中的应用[J]. 甘肃水利水电技术, 2011, 47(2): 54-55.

[7] 吴敏英. 简述闽江调水五马山隧洞施工支洞塌方处理施工[J]. 内蒙古水利, 2012 (2): 23-24.

Analysis of treatment measures and discussion on the causes of landslide of diversion tunnel

CAO Yanghai

(AdministrativeOfficeofGuanchangreservoirofShaxian,Shaxian365512,China)

The application of diversion tunnel is increasing in diversion system, makes it more and more important. This paper take several typical diversion tunnel collapse as an example, summed up the reasons of collapse and analysis the treatment measures. The conclusion can provide some reference for the treatment of similar diversion tunnel collapse in the future.

diversion tunnel；collapse；treatment measure；effect

曹仰海(1967-)，男，福建三明人，工程师，主要从事水利工程施工工作。E-mail：863286718@qq.com。

TV554

A

2096-0506(2017)05-0047-04