張明高

(重慶中環(huán)建設(shè)有限公司 401120)

1 引言

水電站引水隧洞修建過程中，塌方是最為常見的安全事故之一，會造成工期延誤和生命財產(chǎn)損失，是隧洞運營的一個重要安全問題。蓋下壩水電站引水隧洞全長6561.95m，圓形、城門形兩種斷面，圓形開挖斷面半徑為3.6m，城門洞形開挖斷面為8.06m×5.9m。引水隧洞在施工引5+206～引5+243段，出現(xiàn)塌方事故。

2 塌方原因分析

2.1 塌方概況

引水隧洞引5+206～引5+243段頂部均有不同程度的塌方，塌方高度為0.5～4.5m不等，其中引5+233～引5+243段塌方最為嚴(yán)重，塌方高度達(dá)到4.5m。隧洞工作面施工至引5+243處，準(zhǔn)備對引5+240～引5+241段進行噴射混凝土施工時發(fā)現(xiàn):拱部及左側(cè)開始不斷掉碴，遂當(dāng)即停止施工，撤出洞內(nèi)的施工人員和施工設(shè)備并安排專人對該處塌方情況進行觀察，6h后拱頂及開挖面正前方發(fā)生大面積塌方，塌體封堵了該段隧洞，塌方范圍估計為引5+237～引5+245段，見圖1。

2.2 塌方機理分析

研究表明，影響隧洞圍巖初期穩(wěn)定性的主要因素有地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、原巖應(yīng)力場、地下水、開挖工藝方法與支護體系等。

2.2.1 地層巖性因素

圖1 引5+240～引5+241段塌方狀況

根據(jù)地層實測資料，引水隧洞塌方段巖性為灰色三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)含煤地層，以中粒至細(xì)粒薄層砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、頁巖和炭質(zhì)類巖層交叉互層，煤層呈豬腸狀分布，巖層走向N65°，E＜17°，巖層走向與洞軸線成67°夾角斜交。巖石松軟破碎、砂巖呈碎塊狀、頁巖和炭質(zhì)類巖石多呈粉狀，遇水會呈泥石流狀，巖層層間黏結(jié)力弱，穩(wěn)定性差，極不穩(wěn)定，屬Ⅴ類圍巖。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造的影響

工程區(qū)屬川東弧形褶皺構(gòu)造帶［1］，局部強烈褶皺，小斷裂、節(jié)理裂隙發(fā)育。塌方段節(jié)理發(fā)育，縱節(jié)理發(fā)育勝于橫節(jié)理，薄層砂巖和粉砂質(zhì)類巖石呈破碎塊狀斷裂、軟弱松散巖層多呈粉狀、相互無結(jié)合力;節(jié)理走向與洞軸線成 30°～40°夾角，傾角 20°～35°，且 70%以上的節(jié)理長度超過10m，破壞了巖石結(jié)構(gòu)，這對隧洞圍巖穩(wěn)定極為不利。見圖2。

圖2 引5+243～引5+258段地質(zhì)剖、斷面

2.2.3 地下水的作用

在坍塌段上方對應(yīng)的地表有一深溝，常年有水，屬富含水層，也是地表水匯集場所;根據(jù)構(gòu)造特點，塌方段節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙是地下水儲存和運移通道，開挖后，地下水就失去屏障，立即滲入洞內(nèi)，直接沖刷、軟化軟弱巖體和層間夾層，是促使塌方生成的潤滑劑和助推劑。

2.2.4 開挖工藝方法對圍巖的擾動

隧洞采用的是爆破開挖方法。不同地應(yīng)力水平下，巖體開挖的瞬態(tài)卸荷作用對圍巖的影響各不相同，當(dāng)?shù)貞?yīng)力較低時，開挖荷載瞬態(tài)卸荷對圍巖的損傷較小，當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力水平時，開挖荷載瞬態(tài)卸荷對圍巖的損傷較大［2］。由于本段處于高應(yīng)力集中區(qū)，爆破后瞬間卸荷，圍巖應(yīng)力向臨空面釋放，使臨空面附近節(jié)理處應(yīng)力突然集中，達(dá)到節(jié)理面斷裂強度，促使裂隙逐步擴展，直至貫通，使塌方隨時可能發(fā)生。

2.2.5 支護體系的缺陷

綜上所述，塌方段處于軟弱地層、節(jié)理及小斷裂破碎帶，巖體切割破碎，結(jié)構(gòu)松散，這是不利于圍巖穩(wěn)定而形成坍塌破壞的主要原因;層間黏結(jié)力較低，自承能力差，自穩(wěn)時間短;未采取超前注漿固結(jié)主動支護措施，不能有效阻止圍巖的變形，圍巖松動圈不斷擴大，以致初期支護無法承受擴大后松動圈范圍內(nèi)松散巖體的壓力，造成隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而塌方。

3 引水隧洞塌方處理技術(shù)

3.1 塌方處理方案

該段頂板壓力極大，拱部塌方短時間內(nèi)不能穩(wěn)定，坍塌巖體封堵隧洞。根據(jù)業(yè)主和監(jiān)理方要求，對該段塌方不做物探，為確保施工的安全并結(jié)合項目的進度計劃安排，采用以下施工方案［3－7］:

引5+233～引5+243段鋼筋混凝土薄襯→噴射C20混凝土對塌體進行封閉→套拱制作、安裝→施作管棚、注漿→塌腔周圍巖體注漿固結(jié)→I20b工字鋼鋼架支護→塌體注漿固結(jié)→壁后回填灌漿。

3.2 隧洞塌方處理技術(shù)

3.2.1 混凝土澆筑安全區(qū)

為確保在管棚施工時有一個安全的作業(yè)空間，防止塌方向后延伸，首先進行引5+233～引5+243段混凝土澆筑，并將管棚尾部固結(jié)在混凝土中(混凝土厚300mm，單層鋼筋，見圖3)，使之成為一個支點，并形成整體，以增強管棚穩(wěn)定性。

3.2.2 工作面的支護及處理

圖3 鋼筋布置及混凝土斷面示意圖

塌體封堵整個隧洞，管棚施工在塌體中進行，為確保管棚施工期間的安全，采用噴射C20混凝土，厚150mm封閉塌體(并根據(jù)現(xiàn)場需要，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片采用Φ8鋼筋加工，網(wǎng)格尺寸20cm×20cm)，并以此作為管棚注漿的止?jié){墻。

3.2.3 管棚施工

管棚采用T76s自進式錨桿施工，長度15m，由3m、6m的若干管節(jié)組合而成，節(jié)間通過聯(lián)結(jié)套聯(lián)結(jié)。為保證T76s桿體滿足受力要求，相鄰T76s桿體的接頭前后錯開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1m。為使T76s桿體接頭錯開，編號為奇數(shù)的第一節(jié)鋼管采用3m T76s桿體，編號為偶數(shù)的第一節(jié)鋼管采用6m T76s桿體，以后每節(jié)鋼管的長度為6m，避免T76s桿體接頭在同一斷面上。管棚環(huán)向間距25㎝，單層布設(shè)，管棚外插角為5°，見圖3。

為便于注漿，對T76s自進式錨桿進行了改進，即在桿體上增加Φ6mm注漿孔，間距為1m，改進使用過程中，實現(xiàn)了全段出漿，注漿后進行鉆孔檢驗，沿管體達(dá)到了固結(jié)作用。

3.2.4 塌腔周邊巖體固結(jié)注漿

為防止塌腔上方及周圍巖體繼續(xù)坍塌，減小拱部松碴壓力，在隧洞內(nèi)選擇一適當(dāng)位置(由鉆孔距離和操作空間確定)打孔，對周邊巖體和塌落體進行固結(jié)灌漿;塌腔周邊巖體注漿具體技術(shù)措施及規(guī)程均滿足規(guī)范施工要求。

3.2.5 小導(dǎo)管超前支護

在塌方清除前，在工作面施工超前小導(dǎo)管并注漿，超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.3m，長度2.5m，采用邁步式施作，有效支護長度1m，每安裝2榀拱架(1m)施工一環(huán)超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管從起拱位置開始布設(shè)。超前小導(dǎo)管注漿壓力控制在0.5～0.8MPa以內(nèi)。

3.2.6 塌體清除

管棚注漿和鋼筋混凝土完成后，按照由外向內(nèi)、從上到下的順序清除該段塌體。清除過程中，時刻注意頂板動態(tài)，遇有險情，立即撤除人員到安全地點(已做永久支護段或洞外)，確保作業(yè)人員安全。

3.2.7 塌體固結(jié)注漿

為防止拱部巖體繼續(xù)坍塌對混凝土拱部產(chǎn)生較大的沖擊壓力，必須對拱部坍塌的松散巖體進行注漿固結(jié)，在混凝土背后形成緩沖層。對塌體固結(jié)采用每向前架設(shè)1m臨時支架后，立即采用噴射混凝土封閉(噴射混凝土厚20cm)，并環(huán)向施工鋼花管注漿固結(jié)塌體，注漿壓力控制在0.8～1.0MPa以內(nèi)，鋼花管采用Φ50無縫鋼管加工，鋼花管長5m，間排距0.8m×0.8m，梅花型布置，見圖4。

3.2.8 壁后回填灌漿

考慮到注漿會增加頂板壓力，必須對該塌方段前后20m段采用鋼筋混凝土支護，支護完成后立即開始回填灌漿施工，注漿壓力控制在0.5MPa以內(nèi)。注漿孔布置在邊墻及拱部，按梅花型布置，有利于漿液擴散充實巖體。雙漿液配合比為水玻璃∶水泥∶水=1.0∶2.11∶0.6，水玻璃波美度為40°Bé。注漿孔深度為5m，用風(fēng)鉆施工，鉆孔采用 Φ50鉆頭，間排距0.8m×0.8m，梅花型布置，成孔后預(yù)埋Φ42注漿管，注漿管上鉆Φ12mm漿液擴散孔，孔距縱向10cm，呈梅花型布置，注漿管與軟管采用細(xì)鐵絲綁扎。

圖4 固結(jié)注漿鋼花管布置示意圖

4 施工安全

4.1 安全制度

項目部成立塌方處理安全領(lǐng)導(dǎo)小組。在處理過程中，嚴(yán)格執(zhí)行安全培訓(xùn)上崗、班前安全會制度，實行交接班制度，落實全員安全責(zé)任制，實施專職安全員制度，制定定期檢查制度，執(zhí)行資料成果積累分析與臨時事故分析制度。

4.2 安全措施

安全主要措施主要有:對引處塌方段，每天必須派專人觀察，并作好記錄;保證作業(yè)面往洞口方向的道路暢通，派一名專職安全人員觀察頂板情況，若發(fā)現(xiàn)險情，及時向洞外撤離;塌方段施工時做好頂板變形監(jiān)測、觀察工作，若發(fā)現(xiàn)頂板有掉碴或不穩(wěn)定跡象，立即撤離危險區(qū)域，采取安全措施后再恢復(fù)人工清矸或其他工作;實行領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場跟班制度，加強督促和檢查;注重水文地質(zhì)觀測、資料收集、整理和分析，為塌方處理提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

4.3 安全監(jiān)測

通過現(xiàn)場監(jiān)控量測，及時反饋監(jiān)測信息，指導(dǎo)隧洞施工，為隧洞安全和優(yōu)化設(shè)計施工提供技術(shù)支持;根據(jù)日常量測、掌子面觀測、工程特點和地質(zhì)情況，結(jié)合監(jiān)測有關(guān)參數(shù)，采取合理支護結(jié)構(gòu)形式、支護參數(shù)和二次襯砌支護時間;對圍巖穩(wěn)定性及時復(fù)核和確定，并迅速反饋至設(shè)計施工中，提高施工的安全性和經(jīng)濟性;根據(jù)施工監(jiān)控結(jié)果，對施工中可能出現(xiàn)的異常情況進行預(yù)報，以保障施工安全。

5 結(jié)語

三峽庫區(qū)蓋下壩水電站引水隧洞中發(fā)生的塌方，采用鋼筋混凝土澆筑→噴射C20混凝土對塌體進行封閉→套拱制作、安裝→施作管棚、注漿→塌腔周圍巖體注漿固結(jié)→I20b工字鋼鋼架支護→塌體注漿固結(jié)→壁后回填灌漿的綜合處理方法，并且在施工安全措施嚴(yán)格執(zhí)行保障下，隧洞順利通過了軟弱地層、節(jié)理破碎帶。由于處理及時、迅速，未發(fā)生安全事故，6個月后頂板監(jiān)測結(jié)果顯示，沒有下沉、位移等現(xiàn)象。實踐表明，該處理方法是行之有效的，并取得了好的效果，此方案可供類似工程實踐參考。

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6 曹振中，張俊偉.寺坪電站引水隧洞坍塌冒頂綜合處理施工技術(shù)［J］.人民長江，2008(1).

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