沙湾水电站引水隧洞某洞段塌方原因及处理

[摘要] 通过对沙湾水电站引水隧洞15+857～15+885m塌方段工程地质条件分析，认为由于该洞段地下水发育，岩石(体)软弱，物理力学指标较低，吸水性强，裂隙较发育，围岩稳定性差；施工方现场未采取及时有效的处理措施，各种因素综合作用，洞室岩体发生较大规模塌方，并提出相应的处理措施。

[关键词] 塌方地层岩性 地下水 处理方案

中图分类号：TV74文献标识码： A

1 工程概况

沙湾水电站工程位于四川省木里藏族自治县境内，系雅砻江中游右岸最大支流木里河干流水电规划一库六级方案中的第三级梯级电站。沙湾水电站采用引水式开发，主要建筑物包括拦河闸坝、电站进水口、引水隧洞、调压井、压力管道及发电厂房等。引水隧洞全长约18.78km，利用落差256m，装机容量240MW。

2007年8月3日，引水隧道开挖到15+857m处，隧洞拱部出现较大规模塌方，塌方量约1500m3，在拱顶形成高约8m的空腔。本文就该洞段塌方成因进行分析，并提出相应的工程处理方案。

2 工程地质条件

沙湾水电站引水隧洞沿线出露岩性主要为奥陶系下统瓦场组（O1w）板岩夹中厚层状层纹理发育变质石英砂岩、千枚岩，人工组（O1r）的中～厚层状变质石英砂岩、千枚岩，少量志留系（S1）的板岩夹千枚岩、硅质岩，三叠系下统领麦沟组（T1l）板岩夹千枚岩、硅质板岩。岩层总体产状：N30～40°W/SW∠15～50°。

区域构造线方向主要为北西--南东走向。

3 塌方成因分析

引水隧洞15+857～15+885m段洞轴线方向168°,洞径8.2m。该段为引水隧洞深埋段，上覆岩体厚度282m。地层岩性主要为奥陶系下统瓦厂组（O1w）千枚岩夹少量泥质板岩，灰绿色～灰色；新鲜岩石干抗压强度31.4～40MPa，湿抗压强度18.7～22.5MPa，弱风化岩石干抗压强度16.5～28.4MPa，湿抗压强度8.3～15.9MPa，属于软弱岩石。岩体吸水性强，软化系数0.53～0.58，开挖后迅速吸水崩解呈泥状。岩石物理力学性质见附表1。

附表1沙湾水电站室内岩石物理力学性质试验汇总表

岩石 试验组数 烘干密度g/cm3 比重 普通吸水率(%) 饱和吸水率(%) 弹性模量(GPa) 泊松比 干抗压强度(MPa) 湿抗压强度(MPa) 干抗拉强度(MPa) 湿抗拉强度(MPa) 软化系数

千枚岩 新鲜 1 2.62 2.79 2.17 2.47 17.00 0.28 40.00 22.50 4.32 2.45 0.58

2.61 2.10 2.44 16.30 35.20 20.60 4.00 2.10

2.61 2.04 2.36 15.40 31.40 18.70 3.19 2.00

弱风化 2 2.34 2.68 5.38 7.85 12.80 0.30 28.40 15.90 3.07 1.87 0.53

2.31 4.79 6.13 9.10 22.50 12.10 2.44 1.41

2.28 4.19 5.27 5.30 16.50 8.30 1.80 0.94

该洞段岩体层间挤压揉皱强烈，岩层产状变化较大，总体产状：N30°E/SE∠10～15°，岩层近水平。主要发育两组裂隙，一为层面裂隙，一般延伸较长，3～10m，面充填泥膜及岩屑，发育频度1条/m。另一组裂隙与洞轴线大角度相交，产状：N20°W/NE∠50～60°,延伸一般4～8m，发育频度2条/m，裂隙面张开，面锈染，充填泥、岩屑，为地下水的主要联系通道，结构面强度低。另外还发育顺洞向的隐性裂隙，受爆破影响后张开，以上三组裂隙相互切割，对洞室顶拱稳定不利，极易产生塌方。

该洞段地下水发育，主要为基岩裂隙水，赋存于上覆砂岩岩体中，上述构造裂隙与岩层面相互切割，形成地下水的水力联系通道；该洞段拱顶普遍滴水。另外，两侧拱底及底板涌水，流量5～10L/s，水温20℃左右。

综合以上地质条件，判断洞室围岩类别为Ⅴ类，按设计的Ⅴ类支护方案进行支护。

另外，在洞室开挖后，施工单位未及时进行支护，岩体时间较长，风化作用强烈。

综合以上各种因素分析，该洞段地下水发育，岩性以千枚岩为主，吸水性强，抗压强度较低，属软弱岩石，各种裂隙的相互切割，均不利于洞室的稳定，再加上开挖爆破后未能及时进行有效的支护，该洞段于2007年8月3日发生塌方，塌方方量约1500m3。塌方段洞室横断面素描图见附图1。

4 塌方处理及实施情况

2007年8月3日发生塌方后，参建四方代表经现场察看后认为，造成塌方的主要原因在于该段地质条件较差，地下水发育，也不利于洞室岩体的稳定；同时施工方未能及时有效的采取措施。以上因素综合作用，从而导致塌方的发生。决定在该塌方段采取以下处理方案：

⑴ 该段洞室按半径4.25m断面进行开挖；

⑵ 对洞室塌腔拱顶及洞壁喷5cm钢纤维混凝土，然后架设I20b型钢拱架6榀，型钢间距2m，每榀设8根锁脚锚杆，锚杆规格φ22，L=3m。另外系统锚杆呈梅花形布置，焊接于型钢两侧。型钢间连接筋呈三角形布置，采用φ25螺纹钢进行焊接。

⑶ 挂@6.5，20cm×20cm的钢筋网紧贴岩面。

⑷ 型钢架设完毕后，塌腔内采用I20b型钢进行点支撑，点支撑与型钢之间进行焊接。

⑸最后在塌腔内喷钢纤维混凝土20cm，以对洞室进行全封闭。

在塌方处理方案确定之后，因施工方原因，具体施工过程中以上方案未能及时贯彻执行，至8月28日，才架设完型钢，其它方案尚未实施。由于岩体暴露时间过长，再加上地下水作用，至8月29日上午，现场人员发现已架设的型钢间有掉块现象，并在已喷护的混凝土腰线以上部位出现2条裂缝。8月30日凌晨，该部位顶部再次发生塌方，将已架设好的3榀型钢砸坏。各方再次前往现场，针对该塌方段情况制定了第二套处理方案。

第二次处理方案及实施情况：

⑴ 对已架设好的15+885～15+857m段型钢顶部补喷15cm钢纤维混凝土，型钢拱圈模喷50cm厚C20混凝土后，顶部泵送C20砼，厚1．5m。

⑵ 前4榀型钢模喷完后，塌渣上部用钢管或其他材料对塌穴面进行临时支撑、加固，以保证施工安全。并再次对塌穴面喷15 cm厚钢纤维砼，重新向掌子面逐榀架设I20b型钢拱架，型钢间设φ25纵向连接筋，间距50cm，型钢拱架脚部架设2排φ22，L=3m的锚杆，间距0．4m、入岩2．5m再喷模50cm厚C20混凝土，其上部在适当位置预留2～3个进人洞，以便于察看上部情况。

⑶ 支护掌子面后，在向前开挖掘进时，采用多循环、短进尺、弱爆破进行开挖，开挖后喷5cmC20混凝土封闭开挖面，再设I20b型钢拱架和超前锚杆（顶部150°范围、间距30cm、φ25L=4m）支护，型钢间设φ25连接筋，间距50cm，锁脚锚杆为φ25 L=4m，结合系统锚杆，再喷钢纤维混凝土包裹型钢。

⑷ 岩壁封闭后及时打设排水孔，并加强变形观测频率，根据观测结果确定是否需改变或采取其它加强支护措施。

在第二次方案确定之后，施工方随即进行了及时有效的支护，塌方情况得到了遏制。在随后的开挖过程中，同样的地质条件，采用了多循环、短进尺、弱爆破开挖方式，以及超前锚杆等方案，隧洞的开挖施工正常进行。

5对该洞段塌方及处理的认识

通过对该塌方段的处理，认为在软弱岩体及地下水发育洞段进行隧洞掘进时，应做到以下几点：

⑴ 开挖过程中应采取多循环、短进尺、弱爆破的开挖方式，并应采取超前支护；

⑵ 洞室开挖后应立即对岩面进行封闭；

⑶ 必要时应及时采取强支护方案；

⑷ 在地下水发育段要加强排水；

⑸ 施工组织应切实有效的发挥作用，并对洞室加强变形观测。

附图1 沙湾水电站引水隧洞15+877m处横断面素描图