水利工程中隧洞塌方的防治處理措施分析

李東飛

(葛洲壩新疆工程局有限公司，烏魯木齊830000)

水利工程隧洞塌方的防治和處理是一個非常復雜且重要的工作，它與隧洞施工的質量和安全息息相關。隧洞塌方有塌方體厚度范圍大的大塌方和不足以將隧洞堵塞的小塌方，有對人員及公共財產的損失造成不同程度影響的嚴重塌方和輕微塌方。我們處理任何一種塌方都不能掉以輕心，都要謹慎對待，并根據塌方的具體實際情況而采取合理的塌方處理措施。

1 造成水利工程隧洞塌方的主要原因

1.1 信息出入

目前沒有可靠的預防處理技術措施應對軟弱破碎帶地層等不良地質，使得完工的隧洞不能承受足夠的承載力以及可能出現的山巖壓力而導致結構破壞，引起塌方。

1.2 成本控制

項目成本控制不同于簡單、獨立的施工管理，是對一個或多個工程建設項目的前期投資、中期建設、后期使用功能以及資金、工程進度、質量等多種因素所進行的綜合的、宏觀的協調和監控的過程。目前，工程建設項目的成本控制主要分為對施工前期的成本預測，施工過程的成本管理以及工程完工后的成本總核算3個部分。在水利工程設計時，沒有重視一些附屬的非主要的隧洞洞室，為了控制工程成本投入，而一味地設計過短的洞軸線，甚至常把洞軸線選在埡口最低處，這樣隨著隧洞施工的不斷深入，洞口處開挖的深度和洞臉仰坡的高度就會越來越大，造成塌方發生。

1.3 地質因素

水利建設由于其地質條件的復雜性、水底環境的多變性、巖土體情況的不確定性和工程的隱蔽性等原因，使得巖土工程處理的對象極其復雜，這使得工程設計方案在施工過程中需要不斷根據具體情況及時進行變更。原來水利工程的信息主要來自于工程現場，這造成了數據的不準確性、人為性及滯后性，再加上頁巖本身的薄度和強度都較低，節理有裂隙，容易形成大的塌方冒頂。節理夾層風蝕下逐漸被軟化形變，圍巖受力環境遭破壞而致坍塌。

1.4 施工方法不當

主要表現為:在開挖、襯砌過程中，設置支護結構和支撐構件時出現了支護支撐強度過低或支撐的位置不當等這些不符合實際的情況，不得不拆除支護和支撐結構而引起塌方。雖然成本控制的理念已經深入到了許多施工單位的文件中，由于可以對成本控制中收集到的數據進行全面分析的配套的軟件開發相對不足，所以導致了許多成本控制信息即使收集到位，也無法更加便捷地輸出可使用的形式。其應用還處于初期。

2 隧洞塌方的預防工作

2.1 工程建設前做好項目評估工作

工程施工前，請相關部門進行施工可行性研究，得出項目的施工概率預算報告，控制好項目的管理進程和科學成本，合理配置資源。嚴謹、慎重地對建設項目的可行性進行研究，力求決策準確，真實，避免在決策項目建設時出現失誤，在此基礎上，可以保證建設投資的效益能夠提高。

2.2 在隧洞施工中要準備好施工所需要的材料和工具

開挖隧洞時遵循“弱爆破、短進尺、勤支護”的原則，加強支撐支護，合理安排開挖進度和襯砌進度，搞好施工排水，這些措施對預防隧洞塌方起到重要作用。

2.3 抓好工程設計，控制成本預算

項目建設的過程中，成本的控制很重要，包括在工程項目的投資決策和設計等環節，都要做好成本預算。施工單位要求聘請專業的項目可行性分析公司，對項目的投資回收進行分析。這包括施工項目的進程設計，以及資金投入的時間、數量設計等，才能更有效地控制建筑工程造價，避免超標，功能過剩。

3 隧洞塌方處理

3.1 塌方處理原則

所謂“小塌清、先支后清”，就是指當隧洞塌方量不大時，將塌方的頂部支護牢固，確保洞頂不會掉塊砸傷施工人員的情況下，將塌料全部清除的處理方法。所謂“大塌穿，先棚后穿”，就是指當隧洞塌方量很大又難以清除，對塌穴形狀和大小無法查明時，可將塌方體看作松散破碎的巖層處理，先將塌方部位的兩端用超前預灌漿大管棚、鋼支撐聯合支護的方法支頂牢固，最后通過對棚頂的構建來防止其坍塌。

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3.2 塌方處理依據

對塌方的正確認知，是處理塌方的前提條件。普氏平衡拱力理論為塌方的處理提供了一個理論依據。

前蘇聯學者普洛托雅克諾夫提出了一個理論:從松散介質中開挖隧道，隧道上方會形成一個高度為h=b/fk的拋物線的平衡拱。式中:b為平衡拱的跨度的1/2，m;fk是巖石堅固性系數，巖石fk=R/10，R為巖石的抗壓極限強度(MPa)，取值時需考慮到巖體裂隙及節理的影響。

若隧道側壁穩定時，平衡拱寬度就是開挖寬度，這時b=bt。

圖1 自然拱寬度示意圖

圖2 側壁不穩時平衡拱寬度示意圖

若隧道側壁不穩定時，平衡拱寬度為:

式中:Ht為隧道凈高，m;bt為隧道凈寬的1/2，m。

通過上述普氏平衡拱力理論分析自然拱的穩定性，確定塌方穩定后，方可對塌方進行處理。

3.3 處理方案措施

目前國內對處理隧洞塌方體通常采用管棚法、盾構法和臺階法3種方案。

2)盾構法:在隧洞地中將盾構機械逐漸推進，通過盾構機械的外殼和管片支承圍巖來防止隧洞坍塌，同時用切削裝置開挖土體，并用出土機械將土體運出洞外，千斤頂在后部頂進，并預制混凝土襯砌管片，形成隧道結構。

3)臺階法:在開挖隧洞塌方體分成上半部分和下半部分兩次開挖，先開挖上半部分后開挖下半部分，也可先開挖下半部分后開挖上半部分。

4 工程實例

黨順水電站引水發電隧洞，位于青海省尖扎縣，該隧洞的巖石成分主要是頁巖、片麻巖并夾雜灰巖，屬于Ⅳ及Ⅴ類巖石，節理裂隙的走向與洞軸線平行。洞形斷面結構的平衡拱的圓弧半徑2.7 m，洞墻壁的高度2.7 m，洞口寬度 5.4 m，洞內雙層鋼筋混凝土的襯砌厚度為40～60 cm。

塌方情況:該段在2008年6月2日開挖過程中產生嚴重塌方。坍塌松散體主要是碎片石渣，中間夾雜灰巖大孤石。經準確測量，該隧洞軸線長度約30 m，塌方松散體與掌子面夾角60°，拱頂以上寬度15 m，拱頂以上高度18 m。

塌方原因:

1)坍塌段的節理裂隙發育。

2)圍巖成份是破碎且為極不穩定的Ⅴ類。

3)開挖不容易成洞，易坍塌。

4)地下水源豐富。

完工方案:建設單位對該段塌方采用的是管棚法加雙液灌漿處理方案。在塌方處理過程中，先將塌方的松散體固結，同時將塌方松散體的頂部及邊墻部位支撐固定，及時有效地預防再次產生塌方。

施工工序流程圖見圖3。

圖3 施工工序流程圖

塌方處理:

設計單位從隧洞的長期運行安全考慮，做了各方面的加強輔助工作:①加強了該段混凝土襯砌厚度、鋼筋等;②因該段塌方高度較大，在洞頂上方山體容易形成空洞，影響隧洞的長期運行安全，設計單位從洞外用水泥砂漿、泥漿的混合液或泥漿進行灌漿填堵空洞;③該段混凝土襯砌時在邊墻上預先埋上排水管，地下水可以通過排水管排出，這樣減少水對管棚及鋼筋的銹蝕。

該遂洞塌方經采取以上塌方處理方案，經過30 d處理，于2008年10月處理完畢，并獲得了預期的效果。經過近1 a的觀測，該段隧洞圍巖結構較為穩定，位移及變形在規范要求時，已襯砌的混凝土部分未產生裂縫。

［1］甄耀祖，姚大雷.淺談小型水工隧洞的塌方預防及處理［J］.四川水力發電，2008(A01):26－28.

［2］殷建軍，李士明，蔣沖.某水電站引水隧洞塌方原因分析及處理措施［J］.資源環境與工程，2011(03):232－235.

［3］魏斌.廣西南山水庫輸水系統8#隧洞塌方預防及處理［J］.陜西水利，2008(F07):32－33.