叶巴滩水电站尾水隧洞塌方段处理技术研究

李卓

(中国安能集团第三工程局有限公司，成都，611130)

0 引言

隧洞塌方是指施工中因不可控的、突发的应力释放造成的隧洞围岩或掌子面塌落，是隧洞建设中常见灾害事故之一。尾水隧洞属于水电站关键工程，其安全性能直接影响水电站服役寿命及正常效益的发挥[1]。采用边挖边衬的工程措施进行掘进作业，这样可预防发生塌方[2]。因尾水隧洞作业条件恶劣、工作面狭窄、干扰大、工序多，经常会有塌方发生[3-5]。尾水隧洞所处地质条件复杂多变，很难做到详尽勘察，在施工过程中，会揭示很多工程地质缺陷[6]。在当前的工程建设方式、施工技术要求下，由于地质结构、地貌条件、水文地质条件等因素变动很大、工程设计参数不合理、尾水隧洞的单头施工方式不正确、掘进时间较长等因素，在施工过程中尾水隧洞发生不可避免的坍塌现象[7]。尾水隧洞主要设在高地应力区，涌流、岩爆等不良地质现象会经常出现[8]。塌方问题研究应重视，并针对性地采取防治措施，降低塌方问题[9]。基于此，本文以叶巴滩水电站尾水隧洞为研究对象，对其塌方段的处理技术进行研究。

1 工程概况

叶巴滩水电站坐落于四川与西藏界河金沙江上游河段，金沙江上游共有13个梯级水电站，叶巴滩水电站为第七级，处于上游的是波罗水电站，并与处于下游的拉哇水电站相衔接。坝址位置地处金沙江支流降曲河口下游约600m，左岸属四川省甘孜藏族自治州白玉县，右岸则为西藏自治区昌都地区贡觉县。电站采取引水坝式开发，正常水库蓄水位2889.00m，相应的蓄水库容为10.80亿m3，水库死水位2855.00m，死库容5.43亿m3，可调节蓄库容5.37亿m3，并具备季节性调节蓄水能力。电厂的枢纽建筑主要由钢筋混凝土双曲拱坝、泄洪消能系统建筑、引水发电系统建筑等三个主要部分构成。河床上部布置挡水建筑采用混凝土双曲拱坝；泄洪引水消能系统采取全坝身集中泄洪、坝后水垫塘和第二道坝集中泄洪消能；在右岸坝上布设起引水式的发电系统、尾水发电建筑物，左右岸布置导流洞等。右岸地下引水发电系统采用首部式厂房、长尾水布置方案。尾水建筑物包括尾水洞和尾水调压室等。尾水洞为大机组尾水洞，平行布置，轴线间距65m，采用圆形断面，内径14.4m，开挖洞径为16.00m，采用喷锚支护+钢筋混凝土衬砌，尾水主洞长3099.22m，高程为2777.19m～2683.5m。

1.1 尾水隧洞工程地质条件

尾水隧洞处于围岩岩性致密坚硬的闪长岩之中，岩体中断层较发育。前半段多呈次块状结构，后半段以镶嵌状结构为主。由于隧洞埋深大，处于高地应力区，初步分类为Ⅱ和Ⅲ1类的围岩，隧洞前半段以Ⅲ1类围岩为主，部分为Ⅲ2类；隧洞后半段以Ⅲ1、Ⅲ2类围岩为主；局部发育的断层及影响带为Ⅳ～Ⅴ类围岩。受高地应力影响，降类后划分的Ⅲ1类围岩，0+090～0+130洞段发育f97、F3断层，F3为Ⅱ级结构面，破碎带主带宽0.8m～1.4m，f97为F3分支断层，破碎带主带宽度0.2m～0.5m，断层附近岩体破碎，为Ⅳ～Ⅴ类围岩，岩体完整性较好，可能产生的破坏模式主要是高地应力引起的破坏为主[10]，开挖支护时应考虑高地应力的影响，需有防护措施。

1.2 隧洞变形形式及分析

引水发电隧洞开挖后，在尾水洞上游段，桩号0+090～0+130和桩号0+000～0+140段将通过F3断层，断层为Ⅱ级结构面，破碎带主带宽0.8m～1.4m，届时围岩将趋于极不稳定的Ⅳ～Ⅴ类围岩。桩号0+430～0+600段穿越常年流水的董俄措沟，钻孔揭示沟内崩坡积覆盖层厚度8.3m～9.85m，上覆基岩厚度约320m，地下水可能较丰富，抽排水压力较大。Ⅲ～Ⅳ类围岩在本标洞室开挖中占相对多的比例，是产生塑性变形和位移的主要区域，此外，在洞室拐角、交汇处等部位，易产生塑性变形和位移，施工极其困难。围岩中随机分布较多的缓倾角错动带，当其埋深较大或受节理裂隙切割时，极易产生局部的掉块。

1.3 围岩稳定性

引水发电隧洞围岩主要为软岩，围岩多属Ⅲ、IV类，根据隧洞结构面发育情况、岩性、地下水状态、喀斯特发育程度，隧洞沿线大部分围岩为石英闪长岩，岩石致密坚硬，岩体完整性差，总体呈镶嵌结构，围岩初步分类以Ⅲ1类为主，断层附近岩体破碎，为Ⅳ～Ⅴ类围岩，围岩不稳定～极不稳定，须加强支护措施。隧洞前半段以Ⅲ1类围岩为主，部分为Ⅲ2类；隧洞后半段以Ⅲ1、Ⅲ2类围岩为主；局部发育的断层及影响带为Ⅳ～Ⅴ类围岩。受高地应力影响，降类后划分的Ⅲ1类围岩，岩体完整性较好，可能产生的破坏模式主要是高地应力引起的破坏为主，开挖支护时应考虑高地应力的影响，需有防护措施。

2 隧洞整体支护施工及尾水隧洞塌方段处理方案

2.1 围岩失稳方式分析

尾水洞围岩岩性为华力西期石英闪长岩、花岗闪长岩，岩石致密坚硬，岩体中断层较发育。前半段多呈次块状～块状结构，后半段以镶嵌～次块状结构为主。由于隧洞埋深大，处于高地应力区，初步分类为Ⅱ和Ⅲ1类的围岩，围岩强度应力比小于4和2，均应降类。开挖支护时应考虑高地应力的影响，需有防护措施。Ⅲ1、Ⅲ2类围岩在本标洞室开挖中占相对多的比例，是产生塑性变形和位移的主要区域，此外，在洞室拐角、交汇处等部位，也易产生塑性变形和位移，施工极其困难。围岩中随机分布较多的缓倾角错动带，当其埋深较大或受节理裂隙切割时，极易产生局部的掉块。

2.2 尾水隧洞整体支护施工方案

尾水洞上游段：0+090～0+130和0+000～0+140将通过F3断层，断层为Ⅱ级结构面，破碎带主带宽0.8m～1.4m，断层破碎带及影响带为Ⅳ～Ⅴ类，届时围岩将趋于极不稳定的Ⅳ～Ⅴ类围岩。结合地质超前预报和地质资料，在施工过程中严密观察围岩变化情况，若出现F3断层的破碎带，将采取及时支护等方式。尾水洞开挖全工序为关键线路，施工周期长，施工工期要求紧张，施工质量要求严格、施工强度高、通风散烟困难，进度压力大。施工前充分规划好施工通道和排水、通风散烟路径；施工中合理安排施工程序，减少工序间干扰，保证各工序衔接顺畅。本工程尾水洞施工为关键线路，采用分层开挖支护，层内多工序平行流水作业的程序施工，以确保施工进度。Ⅲ1、Ⅲ2类围岩在本标洞室开挖中占相对多的比例，是产生塑性变形和位移的主要区域，此外，在洞室拐角、交汇处等部位，也易产生塑性变形和位移，施工极其困难。围岩中随机分布较多的缓倾角错动带，当其埋深较大或受节理裂隙切割时，极易产生局部的掉块。开挖完成后按“新奥法”原理，适时支护，避免发生坍塌。对开挖出露的地质缺陷，及时按设计要求处理加固，完成后再继续主洞的开挖。对各洞室交叉口1.5倍洞径范围在开挖后及时施作强支护或视情况进行混凝土衬砌锁口，尾水洞主洞开挖时相邻两洞间工作面相错30m～50m平行推进，以确保洞室稳定。

2.3 尾水隧洞塌方段处理方案

根据实际情况，采用强刚性或柔性支护进行处理。2#尾水隧洞0+853～0+880受结构面陡倾角相交的影响，顶拱约150°范围内出现冒顶塌方现象，塌方高度最大8.5m，塌方长度沿洞轴线长约15m，塌方体积约800m3，塌方体影响自0+853至0+880。

图1 塌方加强支护

经监理、业主、设计、施工单位四方现场查勘，明确处理该塌方段方案如下：从掌子面0+863至0+930用石渣反压回填，剩余空腔采用人工装填砂袋进行封堵；结束反压回填后，初拟沿开挖面0+880钻五排φ165回填混凝土孔至塌方顶部，每排钻孔3个，第一至五排角度分别为11°、18°、24°、28°、31°，钻孔沿洞轴线纵向平均深度为12.5m，第一排孔控制回填混凝土高度为2m，第二排孔距第一排孔孔底高度为1.8m，第三排孔距第二排孔孔底高度为1.8m，根据实际情况增加钻孔排数，并依据此布置方案钻至塌方顶部，见图2所示。

图2 塌方段普通砂浆锚杆

塌方体空腔回填料选择C25一级配泵送混凝土，分层进行回填，每次回填高度约1.8m，直至将顶部脱空段填满；在回填段拱顶150°范围内设3φ28、L=12m锚筋束，孔径110mm，间排2.5m×2.5m，矩形布置；钢拱架安装前用CF30钢纤维混凝土闭掌子面，从0+880开始立钢拱架，间距1m，拱架顶部设φ22、L=1.5m连接筋，环向间距1m，距单元接头70cm位置设置钢拱钢筋网，挂网采取盘圆钢筋现场编网，也可采取预制网片，喷C25混凝土使钢拱架表面齐平；开挖面整体布置超前小导管，环向间距30cm，长度6.0m，搭接长度不小于2m，沿钢拱架开孔布设1环，角度上扬15°，并与拱架焊接，局部较为破碎区域增设一环小导管，角度上扬25°～30°。管线预埋如图3所示。

图3 隧洞塌方段处理时的管线预埋示意

通过高压注浆泵对小导管注浆，注浆压力在0.5MPa～0.8MPa范围内，浆液水灰比1∶1，注浆结束后3h开始开挖，单次开挖进尺控制在1.5m，开挖后及时组立下一循环钢拱架施工；钢拱架立至0+874桩号时，拱架间距变为0.6m，其余不变，直至通过塌方区；0+880～0+853段在系统支护基础上，使用φ28、L=6m，间排距1.2×1.2m的砂浆锚杆配合3φ28、L=6m锚筋束进行加强支护，如图4所示。

图4 隧洞塌方段处理方案

3 塌方问题防治措施

3.1 尾水隧洞塌方防治措施

桩号0+430～0+600段穿越常年流水的董俄措沟，地下水可能较丰富，届时抽排水压力较大。因此，设置共计600m3/h的集中泵站用以洞室排水，并设置总存储量为350m3的集水坑存水，保证施工期工作面和交通通道满足施工条件。工程地厂埋深较大，主要洞室通道为反坡开挖，排水工作量较大，需要统筹规划洞室施工排水布置。施工期间按照高水高排、低水低排的原则进行排水布置，各高程洞室分别结合自身的开挖出渣通道布置排水泵站管线，各走各的通道。上部洞室的水从上部排，下部洞室的水从下部排。顺坡开挖洞室主要采用自然排水，两侧设排水沟导流。反坡开挖洞室采用工作面潜水泵结合洞内集中排水泵站进行抽排。负责多条洞室的施工支洞或交通洞，通常在施工支洞或交通洞低处靠近主洞部位设置集水坑或水箱，作为洞内集中抽排的泵站。进入的各洞室施工面的集水，采用潜水泵抽排至集中泵站统一抽排。洞内集中排水泵站布置采用扩挖侧墙或设钢水箱，交通洞采用钢水箱，施工支洞采用扩挖，扩挖段避开混凝土封堵段并距离永久洞室边墙不小于15m。泵站集水坑布置2个，包括沉淀池和清水池，单个容积一般不小于30min的排水量。

3.2 发生大突水防治措施

洞内富水构造被揭穿，发生大的突水时，待其水量减少或消退、水压降低后再进行注浆处理。若水流很大、水压很高、人员无法靠近，且无减弱趋势，在地下水补给区与涌水点之间布置泄流钻孔分流泄压，降低涌水点的涌水量和流速；或采用迂回导洞在出水的上游揭穿水道，排水减压，为掌子面处理创造条件。发生有突水涌泥的洞段，待其减退后再行处理。水量减退后，淤泥充填洞内，在清淤引起涌泥增加、掌子面不稳时，封闭掌子面，采用全断面注浆加固，超前小导管支护，短台阶开挖方案。

3.3 尾水隧洞塌方防治措施

水电站尾水隧洞工程具有较高的塌方发生几率，发生塌方影响工期和施工，造成人员伤害、经济损失。在防治塌方时，应加强支护工程、防渗水工程、超前地质预报等工作。超前地质预报是隧洞施工设计中非常重要的环节，通过超前地质预报，利用钻探和现代物探等手段对隧洞开挖面地质条件进行分析，掌握地下水、围岩等信息。水电站尾水隧洞工程发生塌方的原因之一是预测围岩地质条件存在不足，因此，应对超前地质预报工作高度重视，通过先进工具、技术、经验丰富的专业人才，保证勘测数据可靠性、准确性。从围岩变形、失稳到塌方，是一个逐渐积累的过程，在此过程中会有各种先兆表现出来。在洞身掘进中，坚持实时监测、边挖边测原则。随时观测围岩情况，根据前兆进行围岩稳定性的预测，采取相应措施，对支护工程及时作出调整，加强支护措施。实时进行地下水位变化监测，做好防渗体处理，避免渗水严重造成洞身塌方。

4 结语

本文以叶巴滩水电站尾水隧洞为研究对象，对其塌方段的处理技术进行了研究，在塌方区处理、初期支护施工完成后，结构处于稳定状态，通过本次尾水隧洞塌方处理，总结出以下经验性结论：

(1)通过分析工程地质条件、隧洞变形形式、围岩稳定性及坝址区深部破裂形成岩性、岩体结构物质基础，得出深部破裂是在地貌形成演化过程中，由于岸坡岩体应力状况持续改变，导致了岩体内储存应力的强烈释放，岸坡岩体向临空方向形成巨大差异而回弹卸荷产生的。

(2)在处理隧洞坍塌问题前，必须做好未坍塌部位的加固，以避免坍塌扩大。导致坍塌的主要因素之一是水，及时清除已坍塌段积水，进一步研究坍塌成因，并提出合理解决方法，是防止坍塌和维护围岩稳定性的最有效措施。

(3)进行围岩固结灌浆，以充分发挥围岩承载力作用，并提出现场工程技术人员应充分考虑的各种不良水文、洞室支护围岩特点、地貌因素及发展趋势等，为可能发生的坍塌情况有足够思想准备以及适当工程技术措施支持，有效预防塌方发生。