王輝義

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

1 概述

水工隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜，承受較大的水頭壓力，故其從規(guī)劃選線、設(shè)計(jì)選型，再到具體施工方案，都較之普通的土木工程隧道更為復(fù)雜。水工隧洞在施工、運(yùn)行過程中，襯砌結(jié)構(gòu)除了承受圍巖壓力之外，還承受洞內(nèi)靜水壓力和動(dòng)水壓力，工況多變，受力條件復(fù)雜，因此，水工隧洞建設(shè)對設(shè)計(jì)和施工都有更高要求。

水利水電工程具有投資大、條件復(fù)雜、影響大等特點(diǎn)，保證工程建設(shè)和運(yùn)行安全尤為重要。水工隧洞一旦發(fā)生事故，都絕非單一原因，而是各種因素疊加所致。筆者列舉了1981—2018年間發(fā)生的10起隧洞坍塌案例，其中國內(nèi)案例4起，國外案例6起，并對每起隧洞事故的主要原因進(jìn)行了分析，詳見表1。

表1 水工隧洞坍塌案例Table 1 Tunnel failures

2 事故案例原因分析

2.1 湖南省黃岑水電站隧洞

黃岑水電站引水隧洞由低壓平洞、高壓斜洞、壓力鋼管組成，隧洞周邊地質(zhì)條件較好，由于預(yù)壓灌漿時(shí)施工質(zhì)量沒能保證，預(yù)應(yīng)力沒有形成，施工中雖進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)處理，但仍未達(dá)到要求。隧洞建成后進(jìn)行了兩次檢查，發(fā)現(xiàn)6條短細(xì)縱向裂縫和數(shù)條橫向裂縫，無明顯變形。1981年2月，隧洞坍塌并伴隨雷鳴聲和大量涌水。

事后建模計(jì)算分析，本次事故系施工質(zhì)量沒能保證，預(yù)應(yīng)力未達(dá)到設(shè)計(jì)值，加之局部覆蓋巖體薄弱，襯砌結(jié)構(gòu)長期承受水壓力產(chǎn)生蠕變裂縫，當(dāng)巖體變形超過靜力平衡條件后，洞頂被水壓力擊穿，突然坍塌。

2.2 湖南省巖屋潭水電站隧洞

巖屋潭水電站隧洞1978年投入運(yùn)行后多次進(jìn)洞檢查，發(fā)現(xiàn)有不規(guī)則的縱向裂紋，后用玻璃纖維修補(bǔ)。1986年3月16日通水，次日伴隨巨大轟鳴聲，隧洞坍塌，洞頂混凝土襯砌被掀掉，最大一塊混凝土100余m3，被沖出八九米遠(yuǎn)。

本次事故主要原因?yàn)橐r砌養(yǎng)護(hù)不到位，后雖經(jīng)玻璃纖維修補(bǔ)，但也不徹底、不及時(shí)，以致后來裂紋越積越多，大大降低了洞壁襯砌混凝土的強(qiáng)度和使用壽命，而出口段和彎管段軟弱覆蓋層較厚，正是隧洞薄弱環(huán)節(jié)。隧洞通水后，在水壓力作用下，裂縫迅速擴(kuò)張，襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能大幅度削弱，水從薄弱環(huán)節(jié)噴出，造成了此次事故。

2.3 陜西省石砭峪水庫工程隧洞

石砭峪水庫位于陜西省秦嶺北麓，西安市五臺鄉(xiāng)境內(nèi)，大壩為定向爆破堆石壩，由于土石壩爆破烈度較大，使原有輸水洞內(nèi)多處破壞。1978年，石砭峪水庫開鑿了供水發(fā)電洞，但1991年5月放水時(shí)，隧洞出現(xiàn)了多處涌水點(diǎn)，1991年6月20日下午，隧洞突然發(fā)生大量漏水，且閘室內(nèi)巖體發(fā)生明顯變形，壓力鋼管后移，閘室表面水泥抹面出現(xiàn)數(shù)條拉裂縫。

通過工程地質(zhì)勘察以及大量的巖石力學(xué)試驗(yàn)，研究人員認(rèn)為，該隧洞中、下游段的圍巖較薄，卸荷裂隙深度大，加之地下水位較高，斷層和卸荷裂隙透水性強(qiáng)，這種工況下，這些區(qū)段洞室圍巖需承受30~60 m的水頭壓力，超過了襯砌所能承受的極限荷載，圍巖發(fā)生卸荷拉裂，導(dǎo)致了本次事故。

2.4 福建省雁石溪一級水電站1號隧洞

福建省雁石溪一級水電站為引水式水電站，裝機(jī)容量6 000 kW，1號引水隧洞長1.8 km，為5 m×5.2 m蛋形斷面。由于缺少大型機(jī)械設(shè)備，隧洞施工采用上、下斷面分部并進(jìn)開挖、先拱后墻襯砌的施工方式作業(yè)。1997年5—7月施工中，隧洞多點(diǎn)發(fā)生相繼塌方，事后采用支護(hù)措施對其進(jìn)行清理維修。

事后分析認(rèn)為，系實(shí)際工況與計(jì)算模型不符所致。原設(shè)計(jì)中，隧洞斷面按照蛋形無壓隧洞一般做法，將拱座簡化為彈性固定支座模型，按襯砌充分發(fā)揮設(shè)計(jì)強(qiáng)度且將巖體看作連續(xù)均質(zhì)介質(zhì)計(jì)算。而實(shí)際工程中，巖體破碎，大量夾泥充填，襯砌及拱座沿基礎(chǔ)表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)較小，施工中對未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土襯砌未采取有效的保護(hù)措施，因而實(shí)際工況不滿足設(shè)計(jì)假定模型，導(dǎo)致本次事故的發(fā)生。

2.5 緬甸Dapein I水電站1號隧洞

DapeinⅠ水電站工程位于緬甸，為有壓引水式電站，裝機(jī)容量240 MW，主要建筑物由混凝土重力壩、有壓引水隧洞、電站廠房等組成。引水隧洞共兩條，1號隧洞總長3 299 m，2號隧洞總長3 342 m。

2009年4月，1號隧洞進(jìn)口漸變段出現(xiàn)塌方冒頂，右岸公路路面以下形成了高約30 m的垂直臨空面，對進(jìn)水口的高邊坡造成嚴(yán)重威脅，隧洞進(jìn)水口下游側(cè)產(chǎn)生裂縫，并且裂縫有發(fā)展擴(kuò)大趨勢。發(fā)現(xiàn)問題后，采用緊急臨時(shí)噴錨支護(hù)防止事故擴(kuò)大，而后又采用永久錨索支護(hù)對其進(jìn)行加固處理。

DapeinⅠ水電站工程1號隧洞受地形、地質(zhì)條件所限，隧洞進(jìn)水口位于大壩右岸，緊鄰山體沖溝，受沖溝切割影響，邊坡巖體破碎，分布有大量的斷裂帶及節(jié)理面，致使地下水滲出嚴(yán)重，施工開挖過程中又未引起足夠的重視，從而導(dǎo)致了這次隧洞進(jìn)水口漸變段塌方冒頂事故。

2.6 蘇格蘭Glendoe工程隧洞

蘇格蘭的Glendoe水電項(xiàng)目位于尼斯湖的西南側(cè)，裝機(jī)容量100 MW，引水隧洞直徑5 m，長8 km，采用TBM法施工，洞中壓力水頭為600 m，設(shè)計(jì)流量約19 m3/s。該項(xiàng)目完工運(yùn)行8個(gè)月后，未襯砌段發(fā)生了局部坍塌。

經(jīng)分析，該事故系運(yùn)行管理不當(dāng)所致，隧洞過水流量采用啟停系統(tǒng)，按水庫供水情況間歇運(yùn)行，實(shí)際操作調(diào)整過快，洞內(nèi)水壓力變化劇烈，水錘來不及消散，故而導(dǎo)致了此次事故的發(fā)生。

2.7 巴拿馬Rio Esti工程隧洞

Rio Esti水電站工程位于巴拿馬奇里基省，電站裝機(jī)容量120 MW，該引水發(fā)電隧洞直徑10 m，長約5 km，設(shè)計(jì)水頭112 m，設(shè)計(jì)過水流量118 m3/s。隧洞穿越水平層狀的火山沉積巖層，地下水埋藏較深，該隧洞幾乎全部采用噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。電站運(yùn)行9年后，在調(diào)壓井附近位置發(fā)生了大規(guī)模坍塌，塌方量約為1.4萬m3，隧洞幾乎被完全堵塞。

Rio Esti引水隧洞失事主要是由洞壁火山沉積巖飽和引起，巖體飽和軟化后，巖體強(qiáng)度降低，作用在噴射混凝土上的荷載增加，超過了混凝土襯砌的極限平衡，導(dǎo)致了本次事故的發(fā)生。事故發(fā)生后，隧洞重新開挖輪廓，并沿隧洞全長采用鋼筋混凝土襯砌，本次修復(fù)歷時(shí)23個(gè)月。

2.8 智利La Higuera工程隧洞

La Higuera工程是一個(gè)徑流式水電站，裝機(jī)容量155 MW，項(xiàng)目位于智利圣地亞哥市以南約150 km的山谷中，引水隧洞長16 km，從多個(gè)入口使用鉆機(jī)+爆破的方法施工。隧洞坡度相對較緩，在大部分洞段采用了噴射混凝土襯砌，并在下游地質(zhì)斷層段采用錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土結(jié)構(gòu)。隧洞運(yùn)行9個(gè)月后，洞身發(fā)生坍塌，坍塌量約1.2萬m3。

事后分析，本次隧洞坍塌主要原因?yàn)榈刭|(zhì)問題，坍塌處正是風(fēng)化較嚴(yán)重的薄弱地質(zhì)構(gòu)造帶。隧洞維修工程包括興建240 m長的旁通隧洞，本次處理歷時(shí)21個(gè)月。

2.9 格魯吉亞Shuakhevi工程隧洞

Shuakhevi水電站項(xiàng)目位于格魯吉亞西南部，裝機(jī)容量181 MW。隧洞2013年開始施工，2017年完工運(yùn)行，運(yùn)營約3個(gè)月后，在下游段主隧洞內(nèi)發(fā)生了一系列坍塌和破壞，多處坍塌幾乎完全堵塞隧洞。

格魯吉亞的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性混亂，地層包括高度擾動(dòng)的玄武質(zhì)安山巖、礫巖和火山碎屑砂巖等。本工程引水隧洞正好位于歐亞板塊和非洲-阿拉伯板塊之間，隧洞又穿越地質(zhì)向斜的一部分，以至于蓄水運(yùn)行后，在水壓力的作用下，隧洞在地質(zhì)薄弱處發(fā)生坍塌。事故發(fā)生后，采用了清理坍塌區(qū)、灌漿支護(hù)等方式進(jìn)行維修，維修歷時(shí)30個(gè)月。

2.1 0哥倫比亞Ituango工程3號導(dǎo)流隧洞

哥倫比亞Ituango水電站工程位于距麥德林市西北約170 km處的考卡河上，裝機(jī)容量2 400 MW，擋水建筑物為225 m高的黏土心墻堆石壩。水工樞紐還包括一個(gè)地下廠房、8條引水隧洞和豎井、4條尾水隧洞和3個(gè)施工導(dǎo)流洞。

2018年5月雨季期間，考慮水庫蓄水需要，1號和2號導(dǎo)流洞關(guān)閉，只留3號導(dǎo)流洞作業(yè)，此時(shí)唯一運(yùn)行的3號導(dǎo)流洞入口附近出現(xiàn)了一個(gè)直徑14 m的漏斗狀坍塌，坍塌總方量約為12萬m3。

塌陷區(qū)域上方的巖石覆蓋小于10 m，小于隧洞直徑，其坍塌原因?yàn)樗畮旄咚贿\(yùn)行使得導(dǎo)流洞內(nèi)形成了50 m的壓力水頭，在隧洞支護(hù)上施加了額外的荷載。3號導(dǎo)流隧洞采用噴射混凝土襯砌，并配合常規(guī)巖石支撐，這是這些重要部位的常見做法，但該隧洞設(shè)計(jì)之初，并未考慮到雨季高水位運(yùn)行時(shí)的額外荷載工況。

3 結(jié)語

水工隧洞工況多變，施工運(yùn)行條件復(fù)雜，洞壁一方面承受很大的洞內(nèi)水頭壓力，一方面又要承受較大的外側(cè)圍巖壓力，而計(jì)算模型的選取、施工工藝條件、地層巖性結(jié)構(gòu)的不同，這些多變的條件對隧洞方案是很大的考驗(yàn)。

筆者梳理了10起水工隧洞坍塌事故，從事故細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，事故肇因復(fù)雜，主要可分為以下幾點(diǎn)：（1）地質(zhì)勘察成果代表性不足；（2）設(shè)計(jì)計(jì)算模型選取不當(dāng)；（3）施工質(zhì)量不滿足設(shè)計(jì)要求；（4）地層板塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局部地形地貌、水文氣象條件前期無法預(yù)測；（5）事故萌芽期，技術(shù)人員未對其有足夠的重視，致使施工處理方案不當(dāng)，最終演變?yōu)樗矶刺鹿?，造成巨大損失；（6）運(yùn)行管理不當(dāng)，開關(guān)閘門過快，水錘無法快速消散，巨大的沖擊應(yīng)力破壞隧洞。

隧洞作為一種復(fù)雜的水工建筑物，導(dǎo)致事故的往往并非單一原因，而是多種因素疊加。這就對工程技術(shù)人員提出了更高的要求，不但要嚴(yán)謹(jǐn)對待每一技術(shù)環(huán)節(jié)，更要著眼于項(xiàng)目的全過程，關(guān)注各環(huán)節(jié)之間的銜接，做好動(dòng)態(tài)管理。每一起水工隧洞事故的損失都是巨大的，但同時(shí)也為今后同類工程提供了參考，希望技術(shù)人員能對這些失事案例加以重視，前事不忘，后事之師。