高家灘水電站引水隧洞塌方處理方案

滕少華

(懷化市水利電力勘測設(shè)計研究院，湖南■懷化■418000)

1　工程概況

高家灘水電站位于湖南省沅陵縣境內(nèi)的怡溪干流上，為引水徑流式發(fā)電站。壩址控制集雨面積393 km2,多年平均流量11.5 m3/s。電站正常蓄水位125.0 m，額定水頭15 m，裝機容量4 MW，多年平均發(fā)電量1 450萬kW·h，年利用小時約3 600 h。引水發(fā)電隧洞為有壓式，由高家灘庫內(nèi)引水至彎道下游電站廠房，引用流量32 m3/s,坡降i=3.75‰，進口底板高程114.60 m，出口底板高程111.50 m，后接35 m長的壓力鋼管。Ⅲ類及以下圍巖段隧洞開挖斷面為馬蹄形，頂拱直徑4.8 m，底寬3.4 m，鋼筋混凝土襯砌厚度0.4 m；Ⅲ類以上圍巖段采用混凝土掛網(wǎng)噴護，隧洞全長825 m。在樁號K0+806～K0+814處設(shè)1個圓筒阻抗式調(diào)壓井。

初設(shè)報告中，隧洞沿線出露地層為元古界板溪群五強溪組(Ptbn2w)灰綠色紋帶淺變質(zhì)砂巖夾紋帶狀板巖，其地質(zhì)條件分段敘述如下：隧洞進口位于壩址上游左岸斜坡處，坡角40°～60°，邊坡下部基巖裸露，巖體強風(fēng)化至弱風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀：N5°E，NW∠50°，與洞線交角約64°；邊坡上部表層殘坡積覆蓋層厚0.5～3 m,強風(fēng)化埋深0～4 m。 主要節(jié)理有： N85°W·NE∠70°，節(jié)理面較平直，延伸長1 m，4～6條/m；N2°E·SE∠45°，節(jié)理面較平直，閉合，延伸長2 m，2～3條/m。上述結(jié)構(gòu)面組合可能構(gòu)成不穩(wěn)定巖體，屬Ⅲ類圍巖。洞身段巖層產(chǎn)狀：N5°E，NW∠50°，與洞線交角約64°，表部殘坡積覆蓋層厚1～3 m，強風(fēng)化埋深4～8 m，上覆巖體厚度大于50 m，圍巖穩(wěn)定性較好，屬Ⅰ～Ⅱ類圍巖。

隧洞出口位于壩址下游河流左岸斜坡，巖層產(chǎn)狀：N5°E，NW∠50°，與洞線交角46°，表部殘坡積覆蓋層厚2～5 m；強風(fēng)化埋深8～10 m。 主要節(jié)理有： N55°W·NE∠20°，節(jié)理面較平直，延伸長10 m，1條/m； N50°E·NW∠75°，節(jié)理面較平直，閉合，延伸長大于10 m，2～3條/m； N30°W·SW∠50°，節(jié)理面不平直，延伸長2～3 m。出口處巖石風(fēng)化破碎嚴重，加之節(jié)理結(jié)構(gòu)面組合可能構(gòu)成大小不一的不穩(wěn)定塊體，屬Ⅳ類圍巖。

2012年4月12日，引水隧洞在下游方向開挖至樁號K0+704時，滲水量加大。當(dāng)時沒有引起施工單位重視，僅采取常規(guī)的柔性支護：φ20錨桿長2.0 m、間距2 m，噴射C20厚10 cm進行支護。隨后滲水量逐步加大，頂拱出現(xiàn)圍巖掉塊現(xiàn)象。5月2日頂拱和左側(cè)邊墻發(fā)生大塌方，此次塌方事件一直持續(xù)到7月21日停止。塌方停止時，塌面長度增加至38 m，頂部通頂，高度近50 m。

2　塌方成因分析

地質(zhì)條件、設(shè)計、施工一般是影響隧洞塌方的主要因素。對高家灘水電站引水隧洞塌方的成因進行綜合分析，認為存在以下幾方面的原因：

2.1　地質(zhì)條件

隧洞塌通頂事故大多數(shù)發(fā)生在巖體的斷裂構(gòu)造帶或風(fēng)化強度高的巖層中。節(jié)理斷裂現(xiàn)象在巖體中分布很普遍，由于斷裂構(gòu)造破壞了巖體的連續(xù)完整性，對水工建筑物的基巖穩(wěn)定和滲漏都有很大影響，而且常起控制作用。斷裂構(gòu)造一般分為裂隙和斷層兩種：無明顯位移的巖體裂縫稱裂隙，有明顯相對位移的巖體裂縫稱斷層。影響裂隙穩(wěn)定性的因素是風(fēng)化，尤其在水的作用下更如此。隧洞塌通頂后從頂部觀察，就是由3條相互交錯的節(jié)理裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成了不穩(wěn)定巖體，在山坡水流的不斷浸蝕下，導(dǎo)致了垮塌。

2.2　設(shè)計因素

初設(shè)報告中所描述的地質(zhì)條件與實際施工過程中遇到的情況相差較大。通過對實際地質(zhì)情況分析，隧洞垮塌處局部圍巖從Ⅲ類突變?yōu)棰纛悺Ｔ谒矶词┕み^程中，由于設(shè)計代表不在現(xiàn)場，施工與監(jiān)理人員又未與設(shè)計人員及時溝通、交流，對該段圍巖地質(zhì)條件突變未能從設(shè)計角度及時提出設(shè)計變更方案和處理措施，未能及時采取加強支護及截排水措施。

2.3　施工因素

施工單位在開挖過程中，一是在發(fā)現(xiàn)滲水量加大，降雨時滲水量更大的現(xiàn)象沒有引起足夠的重視。特別是在隧洞垮塌處頂部山坡踏勘時，發(fā)現(xiàn)頂部山坡為1處山間洼地,有地表徑流匯集，竟沒有采取導(dǎo)排措施，任水流通過節(jié)理裂隙下滲至隧洞。在水的作用下，使巖石節(jié)理裂隙進一步軟弱、泥化，使得原本穩(wěn)定性就較低的這段圍巖其穩(wěn)定性進一步降低，最終導(dǎo)致塌方。因塌方體未及時清理，隨著地表水流的持續(xù)浸蝕，塌方繼續(xù)發(fā)展直至“冒頂”。二是施工方繼續(xù)采用人工鉆孔爆破開挖且裝藥量未按規(guī)范進行操作。同時，也未采取臺階法開挖支護等有利于圍巖穩(wěn)定的施工方法。

3　塌方的處理方案

恰當(dāng)?shù)乃矶此教幚矸桨缚梢杂行А⒖旖萸逸^安全、經(jīng)濟；不恰當(dāng)?shù)姆桨篙p則經(jīng)濟損失、重則人員傷亡。水工隧洞塌方冒頂?shù)氖鹿侍幚矸椒ㄒ话阌腥阂皇堑乇砭嗨矶床簧?，采用清除塌方并加固洞壁的方法。具體做法是從上至下將塌方清至穩(wěn)定的坡度，至基巖；然后邊清塌方邊錨固破碎的巖石，直至隧洞底部。該方案在方案選擇時被提出，并考慮就其改造成調(diào)壓井；但由于地表距隧洞過深、清理工程量大、不經(jīng)濟被否決。二是修改洞線。在能避開塌洞因素且修改洞線的工程量與處理塌洞工程量比不是太大的情況下，宜修改洞線。其好處是避開危險作業(yè)面，有利于人身安全；但高家灘水電站引水隧洞全長825 m，分別從進出口兩端開挖，已接近貫通；如修改洞線，工程量較大，水頭損失也會加大，故也不宜而放棄。三是在上述兩個方法都不行的情況下，采用對塌方邊掘進邊加固，最后襯砌的方法。該方法的缺點是施工難度大、有危險、進度慢。該類方法中“管棚法”是處理中小型水利水電工程水工隧洞塌方最常用的方法。

管棚法通常將剛性支護和柔性支護結(jié)合使用。剛性支護通常具有足夠大的剛性和斷面尺寸，能承受強大的松動地壓，常采用高強鋼架緊貼圍巖進行支護。柔性支護結(jié)構(gòu)是按照現(xiàn)代支護理論提出來的，它既能及時進行支護，限制圍巖過大變形而出現(xiàn)的松動，又能允許圍巖出現(xiàn)一定的變形；所以它是適應(yīng)現(xiàn)代支護原理的支護型式，其中錨噴支護方式是主要的柔性支護類型。噴混凝土層柔性大且與圍巖緊密粘結(jié)，因此噴層主要是受壓或受剪切，它比受撓破壞的傳統(tǒng)支護更能發(fā)揮混凝土的承載能力。管棚法一般要求 “管超前、嚴注漿、短開挖 、不(弱)爆破、強支護、快封閉、勤測量、速反饋”的施工原則，在拱部超前小管棚注漿預(yù)固結(jié)圍巖的保護下，采用二步法進行施工。高家灘水電站塌方處理基本采用以上原則，但又略有不同。

3.1　鋼支撐支立

鋼支撐在塌方處理過程中主要起兩個作用:一是支撐管棚，以便于支撐塌方渣體，開挖成洞；二是加強塌方處理過程中的支護，以確保支護穩(wěn)定。高家灘水電站塌方處理鋼支撐采用2×120槽鋼焊接成盒子支撐拱架，沿隧道軸線布置，間距0.6 m。

3.2　管棚制作安裝

φ25鋼筋沿隧道開挖面布置，焊接在支撐拱架上間距0.3 m，只布置側(cè)面和頂面。高強度鋼絲網(wǎng)片沿隧道開挖面滿鋪，范圍同前。前兩排管棚施工完畢后，用反鏟逐漸向前扒上部石渣，露出下一排鋼筋位置時，停止反鏟扒渣，開始進行鋼筋施工，超前支護。支護完成后沿頂面和側(cè)面進行錨筋施工：錨筋采用φ25鋼筋，長度2.5 m，間距1.2 m，向開挖方向偏角15°。注漿漿液采用純水泥漿，水灰比為0.8∶1，采用5 MPa 注漿泵。在灌漿過程中，若出現(xiàn)長時間無壓力，但吃漿量很大的情況，則說明出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，應(yīng)該立即停止灌漿，選擇附近的錨筋繼續(xù)灌漿。為提高灌漿效果，加快施工進度，在水泥漿拌制過程中加入了膨脹劑、早強劑(見圖1)；然后，以此為1個循環(huán)，向掌子面進行鋼筋施工。

圖1隧道垮方段支護斷面示意

通常管棚法施工時會采用超前小導(dǎo)管，通過小導(dǎo)管注漿將塌方體固結(jié)。本次設(shè)計只采用了錨筋：考慮就利用工地已有材料，不新增鋼管。錨筋注漿后，也能起到固結(jié)塌方體的作用。為提高固結(jié)效果，擴大漿液的擴散范圍，采用了純水泥漿。高家灘水電站38 m塌方段開挖共用了56 d，塌方段貫通后，再按原設(shè)計進行了鋼筋混凝土襯砌。

4　結(jié)　語

采用 “管棚法”進行塌方處理，注漿將塌方隧洞頂面和側(cè)面一定范圍內(nèi)的渣體均進行固結(jié)，坍塌體由原來的松散體變成了相對穩(wěn)定的固結(jié)體，由原有的局部集中荷載改變?yōu)橛蓺んw與管棚整體承擔(dān)的均布荷載，使其在開挖過程中可以安全地進行相應(yīng)的其他工序施工。此次塌方從開始至處理結(jié)束，整個施工過程較順利。由于塌方，調(diào)壓井外移至隧洞外廠房處。

隧洞工程施工應(yīng)該盡可能地避免塌方的發(fā)生。若圍巖地質(zhì)條件差，應(yīng)采用“短進尺，勤支護”的施工方案。遇到滲水量較大時，一定要高度重視，盡早襯砌確保穩(wěn)定后，再繼續(xù)隧洞的開挖推進。

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