匯澤園水電站引水隧洞塌方處理方案

孫長慶，宋寶生

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

1 基本情況

1.1 工程概況

匯澤園水電站位于河北省寬城滿族自治縣潘家口水庫瀑河入口處，距縣城21km。該水電站為無壓引水式非洪水期日調(diào)節(jié)水電站，主要任務(wù)是引水發(fā)電。水電站主要由攔河壩、引水隧洞、廠區(qū)樞紐等部分組成，工程等別為V等，建筑物級別為5級。引水隧洞為無壓洞，引水流量7.15m3/s，隧洞斷面為圓拱直墻式，斷面尺寸3.3m×3.7m，洞底縱坡1/1500，洞長2856m。匯澤園水電站于2001年7月8日動(dòng)工修建，2003年3月24日建成發(fā)電。

1.2 隧洞塌方情況

2006年5月匯澤園水電站引水隧洞出現(xiàn)局部塌方，隨即對塌方段進(jìn)行清理，于2006年10月恢復(fù)發(fā)電。2007年6月隧洞中部又出現(xiàn)嚴(yán)重塌方，清渣過程中坍塌不斷，導(dǎo)致隧洞頂部出現(xiàn)10m高的倒漏斗冒頂現(xiàn)象。塌落石渣填塞隧洞、阻斷水流，塌方段上游積水2m多深，給隧洞塌方段處理帶來很大難度。

2 隧洞塌方原因分析

匯澤園水電站引水隧洞支護(hù)型式分為襯砌段、噴錨段、素噴段和不襯砌段。隧洞塌方段位于隧洞中部，是不襯砌段即毛洞過水段，塌方堵塞段長約30m，隧洞斷面被塌方石渣堵嚴(yán)，塌落最嚴(yán)重部位在洞頂以上呈10m高的倒漏斗形。

塌方段地貌為山谷，溝谷高程200m，該部位隧洞埋深約70m。隧洞塌方段圍巖為薄層頁巖，強(qiáng)度偏低，產(chǎn)狀為走向近EW，傾向N，傾角60°，洞線方向?yàn)镾W230°，與巖層走向斜交成50°左右。圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，并有夾泥充填，該段圍巖地下水豐富，洞內(nèi)滲水隨季節(jié)變化較大，塌方時(shí)正值雨季，地表水沿節(jié)理面滲入，洞內(nèi)呈流線狀。

根據(jù)工程地質(zhì)條件經(jīng)綜合分析，隧洞塌方主要原因有：①隧洞塌方段圍巖主要為薄層頁巖，頁巖強(qiáng)度偏低，節(jié)理裂隙發(fā)育，長期暴露巖石風(fēng)化，裸露圍巖由于掉塊，失去三向受力狀態(tài)，并逐漸擴(kuò)大，以致形成大的塌方冒頂。②塌方段隧洞為毛洞過水，圍巖經(jīng)長期浸泡沖蝕，節(jié)理面夾層被沖蝕，圍巖受力環(huán)境遭到破壞。③隧洞塌方段穿越溝谷，地勢低洼，地下水豐富，外水沿節(jié)理面向洞內(nèi)滲漏，沖蝕軟弱夾層，隨著節(jié)理夾層軟化淘空，圍巖受力環(huán)境被破壞并坍塌。

3 隧洞塌方段處理方案

3.1 塌方冒頂段處理

由于塌方段圍巖強(qiáng)度低、巖石破碎，坍塌冒頂嚴(yán)重，除清渣、穿越時(shí)采取初期支護(hù)外，后期采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌總長40m，間隔10m設(shè)1道伸縮縫。

為避免二次擴(kuò)挖帶來的施工難度和危險(xiǎn)性加大，在原設(shè)計(jì)毛洞基礎(chǔ)上直接進(jìn)行鋼筋混凝土襯砌，襯砌斷面型式為圓拱直墻式，襯砌厚度40cm，襯砌后隧洞斷面尺寸2.5m×2.9m，直墻高2.195m，頂拱高0.705m，頂拱圓心角118°，襯砌混凝土強(qiáng)度等級C25，隧洞底部縱坡同原設(shè)計(jì)1/1500。待混凝土襯砌結(jié)束并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，對隧洞以外塌落空間回填砂漿，頂拱砂漿回填厚度按1m控制。回填砂漿考慮在洞內(nèi)頂拱部位預(yù)埋準(zhǔn)100mm回填砂漿管，順洞方向管距1.5m，管長按襯砌外1.2m和0.8m控制，砂漿回填按兩序施工。襯砌隧洞頂拱預(yù)設(shè)回填灌漿孔，待砂漿回填結(jié)束并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，實(shí)施回填灌漿，回填灌漿按兩序施工，設(shè)計(jì)灌漿壓力0.3MPa。回填灌漿結(jié)束并經(jīng)檢查合格后打排水孔，排水孔孔徑5cm。回填灌漿孔及排水孔深入圍巖（襯砌結(jié)構(gòu)外）分別為10cm和200cm，孔排距均為3m，每排設(shè)3孔，沿頂拱中心線對稱布置，相鄰?qiáng)A角為50°，灌漿孔與排水孔沿洞線交替布置。

為保證塌方襯砌段隧洞進(jìn)出口水流平穩(wěn)，在襯砌段隧洞進(jìn)出口底板及兩側(cè)邊墻設(shè)置1∶4混凝土斜坡漸變段與相應(yīng)部位毛洞順接，漸變段混凝土強(qiáng)度等級C25。塌方段縱段見圖1。

圖1 隧洞塌方段縱斷面圖

3.2 圍巖塌落段處理

隧洞沿線其他部位圍巖由于風(fēng)化和長期遭受地下水及洞內(nèi)水流沖蝕，均有不同程度的坍塌，塌落范圍和坍塌量將會(huì)逐漸擴(kuò)大，應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

根據(jù)圍巖塌落情況并結(jié)合地質(zhì)條件，對局部圍巖塌落部位進(jìn)行噴混凝土支護(hù)，有些部位視圍巖具體地質(zhì)情況增設(shè)局部錨桿或掛網(wǎng)。素噴混凝土厚度8cm，掛網(wǎng)時(shí)噴混凝土厚度10cm，噴射混凝土強(qiáng)度等級C25，錨桿長2m，錨桿間距0.7m。

3.3 塌方襯砌段水力復(fù)核

引水隧洞設(shè)計(jì)流量為7.15m3/s，利用分段求和法推求塌方襯砌段隧洞洞內(nèi)水面線，并判斷洞內(nèi)凈空面積及高度是否滿足規(guī)范要求，分段求和法計(jì)算公式：

式中 △L1-2為分段長度（m）；h1、h2為分段始、末斷面水深（m）；v1、v2為分段始、末斷面平均流速（m/s）；α1、α2為流速分布不均勻系數(shù)，取α1=α2=1.0；θ為隧洞底坡角度（°）；i為隧洞底坡，i=tgθ＝1/1500；為分段內(nèi)平均摩阻坡降；n為糙率系數(shù)，襯砌隧洞洞身取n=0.015，毛洞n＝0.035；為分段平均流速（m/s），=（v1+v2）/2；為分段平均水力半徑（m），=（R1+R2）/2。

經(jīng)計(jì)算，洞內(nèi)最大水深為2.22m，最小凈空面積為1.19m2，大于隧洞斷面面積的15%，最小凈空高度為68cm，大于40cm，襯砌后隧洞斷面滿足規(guī)范要求。

4 隧洞塌方段施工

根據(jù)隧洞塌方情況及塌方段地質(zhì)條件，對隧洞塌方段施工方案提出以下幾點(diǎn)建議。

4.1 排水

塌方段至隧洞進(jìn)口有2m深積水，積水是由進(jìn)口閘門漏水和洞內(nèi)滲水造成的，出渣的第一步是排水。塌方段上游300m右側(cè)有一原施工用斜井，建議利用斜井抽排洞內(nèi)積水。

4.2 塌方段穿越

隧洞已運(yùn)用4a多，表明洞室圍巖有一定的自穩(wěn)能力，為塌方段穿越提供了支護(hù)和襯砌時(shí)間。首先在塌方前沿對圍巖進(jìn)行噴錨，架設(shè)鋼拱架。鋼拱架間距控制在0.5m以內(nèi)，拱架與圍巖之間用背板塞填，避免架空現(xiàn)象，發(fā)揮鋼拱架作用。隨著清渣工作的進(jìn)行，塌方段冒頂漏斗逐漸顯露，建議施工中隨清渣隨噴錨，必要時(shí)對此段圍巖進(jìn)行掛網(wǎng)，此時(shí)噴錨應(yīng)及時(shí)支護(hù)，噴混凝土須采用早強(qiáng)水泥，錨桿采用藥卷錨固劑。

4.3 加強(qiáng)圍巖觀測

施工過程中派專人對隧洞圍巖變形定期進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施或撤離，確保施工安全。應(yīng)在隧洞頂部、拱肩及冒頂部位設(shè)置觀測點(diǎn)，每天定時(shí)觀測，及時(shí)分析圍巖變形速率，如速率增大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)或安全撤離。

4.4 分段施工

根據(jù)對圍巖觀測情況的綜合分析，圍巖自穩(wěn)時(shí)間如不能保證全段貫通再襯砌混凝土?xí)r，施工時(shí)應(yīng)清理一段，襯砌一段，以滿足圍巖自穩(wěn)時(shí)間短的條件限制。

5 結(jié)語

（1）軟弱圍巖水工隧洞開挖后應(yīng)進(jìn)行支護(hù)，并根據(jù)圍巖情況選擇適當(dāng)?shù)囊r砌型式，不宜采用毛洞直接輸水，以免引起塌方，造成再處理的難度和費(fèi)用增加，影響工程效益正常發(fā)揮。

（2）隧洞塌方段處理應(yīng)清理一段，支護(hù)一段，小塌方是大塌方的開始。隧洞支護(hù)是發(fā)揮圍巖的自承作用，確保其受力環(huán)境和狀態(tài)。

［1］SL/279—2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］TB/10003—2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］段樂齋，水利水電工程地下建筑物設(shè)計(jì)手冊［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［4］高大釗.巖土工程手冊［K］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［5］DL/T50—99，水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］GB50086—2001，錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.