陳長貴 楊玉銀 黃 浩 劉志輝 陳 斌 張永強 張健鵬

（中國水利水電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類圍巖開挖過程中，經常發(fā)生一些塌方事故[1][2]，但地下工程施工技術發(fā)展到今天，應該說所有的塌方事故都是可以預防或提前預測的，只是由于在施工中存在一些僥幸心理，對圍巖地質情況了解不夠透徹，不能按照圍巖地質情況制定合理的支護方案，或者為了減少施工成本、加快工程進度，過早地減弱支護措施，造成支護強度不夠，圍巖自穩(wěn)時間過短，可能在開挖循環(huán)所有支護措施尚未完成時，就已經發(fā)生塌方事故。本文對烏干達卡魯瑪尾水隧洞9#施工支洞0+38.87～0+42.50洞段塌方事故進行了分析、總結，給隧洞工程技術人員在制定或改變支護方案時，提供了可供參考的依據(jù)。

1 工程概況

卡魯瑪水電站尾水隧洞工程位于烏干達境內的卡爾揚東哥地區(qū)卡魯瑪村。尾水隧洞共兩條：1#尾水洞長8 553.290 m，2#尾水洞長8 459.911 m，開挖斷面呈平底馬蹄形，開挖洞徑寬13.7～14.8 m，高13.45～14.8 m，總投資5.9億美元。

9#施工支洞與1#、2#尾水洞分別相交于TRT（1）5+335.88、TRT（2）5+317.98，全長717.55 m。本文研究對象為9#施工支洞IV類圍巖洞段0+21.20～0+42.50洞段，開挖斷面呈城門洞形，寬8.44 m、高7.30 m，底坡10.42%，采用鋼支撐、掛網、系統(tǒng)錨桿、噴混凝土支護，如圖1所示。鋼支撐采用I16工字鋼；掛網采用Ф6.5 mm鋼筋，網格尺寸15 cm×15 cm；系統(tǒng)錨桿采用Ф25 mm螺紋鋼，長4.5 m，間排距均為1.5 m；采用C25噴混凝土，厚22 cm，分兩次噴射，初噴4 cm，復噴18 cm。

2 塌方情況及原因分析

2.1 塌方經過

2015年1月31 日14:05，9#支洞開挖爆破，單循環(huán)進尺3.0 m，掌子面樁號開挖至0+42.50；16:10出渣完畢，開始進行支護作業(yè)，2月1日0:10，正在進行鋼支撐、掛網施工時，頂拱突然坍塌，掛網破壞、鋼支撐嚴重變形，鉆爆臺車局部損壞，幸未造成人員傷亡。塌方空腔呈不規(guī)則三角體，下部寬7.4 m、鋼支撐頂部以上塌腔高度3.05 m，洞軸線方向長3.63 m。塌落物呈散體結構，個別塊度達80 cm×50 cm×30 cm。

2.2 塌方原因分析

本次塌方洞段從爆破到頂拱塌方共歷經10 h 5 min，即塌方洞段圍巖自穩(wěn)時間僅10 h左右。塌方原因分析如下：

（1）設計圍巖變類過早。2015年1月15日，9#支洞開挖至0+21.2樁號，設計地質人員現(xiàn)場勘察后，將圍巖由V類變?yōu)镮V類，開挖斷面由馬蹄形轉換為城門洞形，取消了注漿小導管超前支護。實際情況是掌子面中下部圍巖呈弱風化狀，屬中硬巖，接近于III類，但頂拱部位圍巖風化程度較高，呈強風化狀，屬軟巖，仍為V類圍巖，自穩(wěn)能力很差，取消超前支護存在較大安全隱患。經與設計方溝通，同意在變?yōu)镮V類圍巖后10 m范圍內（0+21.20～0+31.20洞段），增設超前錨桿，超前錨桿采用Ф25 mm螺紋鋼，長4.5 m，間距30 cm。自0+31.20洞段開始暫按IV類圍巖支護，取消超前錨桿，支護方式見圖1。

（2）設計支護方案存在缺陷。對于中下部接近III類，而頂拱卻是V類的隧洞圍巖，采用圖1所示支護方式，存在較大設計缺陷。對于該類開挖斷面必須采用超前支護，以延長頂拱圍巖的自穩(wěn)時間。實踐證明對于0+38.87～0+42.50塌方洞段，圍巖自穩(wěn)時間僅10 h左右。實際開挖作業(yè)循環(huán)情況見表1，不難算出，每個開挖作業(yè)循環(huán)從爆破到支護完畢需要1 320 min，即22 h，完全依靠圍巖自身的自穩(wěn)能力，根本無法維持圍巖自身的穩(wěn)定，必須采取超前支護措施才能確保圍巖穩(wěn)定。

圖1 IV類圍巖支護設計圖（單位：cm）

表1 IV類圍巖開挖作業(yè)循環(huán)時間

（3）地質原因。塌方段地質結構如圖2所示，隧洞頂部發(fā)育有兩條大的節(jié)理面J1、J2，節(jié)理J1與節(jié)理J2交匯于隧洞左上方，距鋼支撐頂部約3.0～3.2 m，兩節(jié)理面下方三角體圍巖呈強風化狀，結構松散。節(jié)理面的存在大大降低了圍巖的自穩(wěn)能力，縮短了圍巖自穩(wěn)時間。

（4）單循環(huán)進尺偏大。塌方洞段鉆孔深度3.2 m,根據(jù)以往施工經驗，對于IV、V類圍巖尤其是在沒有超前支護的情況下，最大鉆孔深度不宜超過2.2 m，以1.5 m左右為宜。盡管隧洞開挖采用了光面爆破，并且嚴格控制了裝藥量，爆破后開挖輪廓成形良好，但畢竟隧洞中下部為中硬巖，掏槽及崩落孔裝藥量不可能過小，較深的鉆孔增大了單響裝藥量，必然增大了爆破振動對頂部松散巖體造成的擠壓破壞，并且較大單循環(huán)開挖進尺使圍巖在洞軸線方向暴露的跨度增大，這就進一步降低了圍巖自穩(wěn)能力。

圖2 塌方洞段地質結構橫剖面圖（單位：cm）

在以上幾方面原因綜合作用下，導致了本次塌方事故，但最根本的原因是支護方案存在缺陷，沒有進行超前支護，這直接導致了本次塌方事故。

3 塌方處理[3]

2014年2月1 日1:15，接到9#支洞發(fā)生塌方的匯報后，項目部工程技術人員和安全管理人員立即趕到現(xiàn)場。經近距離現(xiàn)場觀察后，確認巖體基本穩(wěn)定，但仍不時有小塊塌落。經技術人員、安全人員、現(xiàn)場施工管理人員討論研究后認為，該塌方部位不宜立即開始塌方處理，應等頂拱圍巖小塊塌落基本停止，穩(wěn)定一段時間后再做處理。于是當晚掌子面塌方部位僅留兩個人繼續(xù)觀察塌方情況，其余人員返回營地休息。

早上8:00，工程技術人員、現(xiàn)場施工人員再次趕到9#支洞塌方掌子面，經觀察后，確認塌方部位已經穩(wěn)定，隨后確定了以下塌方處理方案，具體見圖3。

（1）噴混凝土封閉塌方空腔頂板。本次塌方部位頂拱圍巖強度很低、結構疏松，不宜遇水或打鉆進行擾動，一旦進行擾動可能造成頂拱再次塌方，因此不宜采用錨桿支護，主要采用噴混凝土支護。由施工人員站在已支護的安全洞段向塌方段頂拱由外向內進行C25噴混凝土支護，厚度15 cm。

（2）重新架設鋼支撐。頂拱噴混凝土完成后，將塌方破壞的鋼支撐重新按照原設計要求架設，采用I16工字鋼制作，間距80 cm。

（3）架設拱上拱。在原設計鋼支撐架設完畢后，在鋼支撐和塌方頂部巖面的噴混凝土間架設圖3所示拱上拱支撐，要求拱上拱支撐盡量貼緊初噴混凝土面，拱上拱同樣采用I16工字鋼制作。

（4）塌方空腔頂板復噴混凝土。為了保證拱上拱與頂部初噴混凝土接觸良好，在初噴混凝土15 cm基礎上，再補噴5 cm厚C25混凝土。

（5）鋼支撐頂部掛網。鋼支撐頂部按照原設計要求掛網，采用Ф6.5 mm鋼筋，網格尺寸15 cm×15 cm。

（6）預設超前小導管。在最靠近掌子面的一榀鋼支撐拱部預設超前小導管，小導管采用Ф42 mm鋼管，長3.5 m，間距30 cm，為下一步開挖做好準備。

（7）鋼支撐模噴混凝土。在鋼支撐下部架設簡易模板，頂部先模噴30 cm左右C25混凝土，預留4根Ф80 mm、長100 cmPVC管；24 h后，待模噴混凝土達到設計強度的40%左右，再通過預留PVC管將鋼支撐上部噴混凝土厚度補噴至100 cm，如圖3所示。

圖3 塌方洞段處理結構圖（單位：cm）

（8）頂部空腔回填灌漿。鋼支撐頂部回填噴混凝土7 d以后，噴混凝土達到設計強度的70%以上時，即可對頂部空腔進行回填灌漿，漿液采用水泥砂漿，配合比為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.7， 灌漿壓力采用0.3～0.5 MPa。

4 經驗教訓

通過分析9#支洞塌方事故的原因，使我們認識到在隧洞開挖過程中圍巖變更時，必須注意以下事項：

（1）設計地質人員在進行圍巖分類變更，比如圍巖由V類轉為IV類時，必須對掌子面及開挖出露圍巖進行細致的勘察，建議重點察看頂拱部圍巖。當中下部圍巖已經好轉，已達到IV類，甚至于接近III類，但頂拱圍巖較差，仍屬V類時，其開挖支護設計方案應以頂拱圍巖為主，仍應按照V類圍巖確定頂拱設計支護參數(shù)。

（2）當掌子面出露圍巖已經完全好轉，但頂部以上較好圍巖覆蓋層厚度仍然很薄時，要求仍按照原設計支護方案確定支護參數(shù)。根據(jù)多年施工經驗，按照隧洞跨度不同，當上覆較好巖層厚度達到表2所示數(shù)值時，才能按照頂部已出現(xiàn)的較好圍巖確定支護參數(shù)。

表2 確定圍巖支護參數(shù)的建議上覆較好巖層厚度

（3）超前支護是有效延長圍巖自穩(wěn)時間，保證初期支護順利完成的關鍵。因此在圍巖狀況較差的情況下，取消超前支護時，必須慎重考慮。

（4）在IV、V類圍巖開挖施工中，必須嚴格控制單循環(huán)進尺，V類圍巖單循環(huán)進尺宜控制在1.0～1.5 m，IV類圍巖宜控制在1.5～2.2 m，避免因單循環(huán)進尺過大，造成已支護洞段與掌子面間跨距偏大，這樣可能會進一步降低圍巖自穩(wěn)時間。

（5）該洞段開挖期間，恰逢旱季，已近兩個月未下雨，因此塌方洞段塌方空腔高度僅3 m左右。但該部位洞頂距地表僅23.65 m左右，且上覆巖體從上至下依次為黃土、全風化巖、強風化巖，遇水極易坍塌，因此該次塌方如果趕在雨季，可能存在冒頂風險，這更進一步說明了超前支護及控制單循環(huán)進尺的重要性。

5 結束語

烏干達卡魯瑪尾水隧洞9#支洞發(fā)生的這次塌方事故，雖然塌方量不大、塌腔高度不算高，但卻是一次典型的塌方事故。稱其為典型是因為該次塌方主要是由于V類圍巖轉IV類圍巖過早，且IV類圍巖設計支護方案存在缺陷（沒有超前支護）造成的。目前，卡魯瑪尾水隧洞三條支洞開挖才剛剛開始，17 km的主洞開挖還未進行，且該項目所在區(qū)域有3/4時間處于雨季，因此，本次塌方給接下來的隧洞開挖工作敲響了警鐘。同類塌方事故也同樣發(fā)生在正在施工的卡魯瑪電站主交通洞（MAT）和逃生兼通風洞（EVT）中，可見，總結本次塌方經驗、教訓是十分必要的，同時本次塌方的經驗教訓對其他同類隧洞的開挖具有重要的指導意義。

［1］楊玉銀，盧學文，等.某隧洞特大涌渣流砂事故原因分析及經驗教訓［J］.工程爆破，2010，16（3）：52-55.

［2］楊玉銀，高印章，等.中長管棚在隧洞特大塌方處理中的應用［J］.山西水利科技，2013（2）：27-29,32.

［3］康世榮，陳東山.水利水電施工組織設計手冊（2）施工技術［M］.北京：水利電力出版社，1990.