论文部分内容阅读
摘 要：由于锦屏一级水电站大坪隧道地质条件差、围岩变化大、地形复杂，在施工中先后出现两次塌方。该文对塌方进行了全面分析，提出安全、合理的处理方案，顺利地通过了两次隧道塌方段，并提出预防掌子面塌方的一套技术措施。
关键词：水电站、隧道、塌方
1、工程概况及塌方介绍
1.1、工程概况
锦屏一级水电站地处四川省凉山州内雅砻江上，大坪隧道位于锦屏一级水电站雅砻江右岸锦屏山上，是连接三号营地和棉纱沟交通平台的唯一通道。山体呈SN走向，山坡坡度为48度到53度不等，最大埋深107m，整座隧道处于山体靠雅砻江侧、围岩软弱及地下水丰富地段。隧道全长2515m，设计隧道宽度10.5m，最大开挖高度8.96m。设计Ⅱ类围岩1476.1m ，Ⅲ类围岩1038.9m。施工过程中先后发生两次塌方，对工程进度造成一定的影响。
1.2、工程地质
隧道工程地质及水文地质条件：地质围岩为强至中风化炭质页岩、粉砂质页岩夹砂质泥岩，岩石抗压极限强度5.1～6.1MPa；岩层褶皱构造强烈，隧道地层出现小挤压和压扭断层，节理发育，裂隙纵横交错，层理产状为不规则状；岩层风化严重，相互间粘结能力极差，局部呈软弱夹层产出，岩石经开挖暴露后极易风化变软；地下水位低，地下水沿节理裂隙渗漏现象普遍。
根据地表横断面描述情况看，隧道里程K0+060～K0+180段120 m长范围有浅埋、偏压情况，且隧道穿越山体在该段里程处于山凹冲沟地貌，两次塌方均发生在该段落。从塌方情况看，围岩变化比较大，特别是拱部围岩特别破碎、松软，整体性差，开挖暴露后即出现坍塌，且速度快。
1.3、塌方过程与围岩情况
1.3.1、塌方过程
第一次塌方发生在2008年5月26日上午。洞身开挖按Ⅱ级围岩，采用台阶分部法施工至桩号K0+117时，完成开挖后初喷过程中掌子面拱部开始掉块，喷射混凝土封闭掌子面持续进行了近3 h，但坍塌仍在继续。塌方位置为上台阶右侧拱肩处，最终塌方高度约12 m，进深约4 m，塌方量约200m3。
第二次塌方发生在2008年8月4日上午。洞身开挖按Ⅱ级围岩，同样采用台阶分部法施工至桩号K0+162时，在出渣时掌子面拱部中线偏右侧处再次发生掉块。喷射混凝土封闭后，支护过程中又开始掉块，继而发展成大量坍塌，塌方位置为上台阶中线至右侧拱腰处，最终塌方高度约9 m，进深约3 m，塌方量约110m3，规模稍小。
1.3.2、塌方处围岩情况
第一次塌方处掌子面围岩为强风化砂质泥岩，围岩软弱，有4组裂隙。掌子面右侧围岩受破碎带影响，围岩节理、裂隙发育，不规则分布，部分节理为黄褐色粘土填充，呈碎裂状结构；掌子面左侧围岩节理较发育，呈块状结构，层厚约10～25 cm，走向大致与隧道中线平行。掌子面围岩整体性差，潮湿，无渗水情况。坍塌岩体软弱，呈泥状。
第二次塌方处掌子面拱顶及其以下1．O m高度范围为强风化泥质粉砂岩，岩体较软弱、破碎，部分风化成泥，呈散体状，岩块之间为胶泥填充，自稳能力差。掌子面右侧为强风化砂质泥岩和泥质粉砂岩，受断层构造带影响，围岩节理不清晰，较破碎，整体性差；掌子面左侧围岩为弱风化灰色粉砂岩，岩体较坚硬，受构造影响明显，岩层产状紊乱，破裂面光滑，节理较发育，岩体呈块状结构。有渗水情况。坍塌下来的岩体大小不一，最大块岩石长边长约38 cm，最小块粒径约3cm。岩块软硬不一，呈黄褐色，有水锈，可判断围岩极破碎，呈散体状结构。
1.4、塌方后存在问题
第一次塌方后，已完成的K0+100～K0+116段初期支护在外侧拱脚出现3条竖向裂缝，根据监控量测结果，K0+116里程处拱顶下沉5．2 cm，塌方处地表发现1条偏离隧道轴线约5 m并沿轴线走向的裂缝，宽度约5cm，同时在K0+128处地表发现一个直径约0.8m的塌坑，深度无法量测。
2、塌方原因分析
(1) K0+060～K0+180段围岩为强风化砂质泥岩和泥质粉砂岩，围岩软弱破碎，属断层构造产物。受破碎带影响，岩层呈碎裂状、裂隙块状结构，整体性差。
(2)围岩呈松软状态，自稳能力差。开挖后围岩受扰动，自稳能力降低。
(3)受雨季强降雨水渗透作用影响，地下水沿裂隙通道流出，使拱部围岩受侵蚀，软弱夹层软化，强度降低。开挖临空后受重力作用易沉降，并沿软弱面滑动，逐渐剥落掉块。
(4)隧道在该段落最小埋深约为29.7 m，加之地表山体陡峻，隧道有偏压情况，一定程度上诱发塌方。
(5)整个开挖掌子面围岩坚硬，完整性分布不均匀，对较坚硬围岩的开挖爆破，扰动围岩，增加诱发塌方的因素。
3、塌方处理
由于坍塌体都堆积在掌子面前，虽然两处塌方规模不同，围岩条件有所差别，但处理措施均是先加固未塌方段，阻止塌方继续发展，然后再处理塌方段，具体方法如下。
3.1、 K0+117塌方处理
鉴于隧道埋深、地表地貌条件、塌方规模、初期支护面裂缝以及地表发现的异常情况，为开挖后减少地表下沉和防止围岩再次坍塌，为向前掘进施工提供地质超前预报，增加施工安全度，提高隧道的长期稳定性，故确定K0+117～K0+137段20 m采用长24 m大管棚超前支护措施。采取先护后挖的综合处理措施，开挖前施作超前注浆小导管和径向中空锚杆，再配合其它工程措施，安全通过塌方地段。其具体治理措施为：
喷射C30钢纤维混凝土25 cm厚封闭塌方掌子面。
施作5 m长φ42注浆小导管(环向间距40 cm)对塌方掌子面进行注浆加固为
长管棚施工创造条件。
支立4榀临时钢拱架（间距1m），施工24 m長管棚(管内增加3根φ22钢
筋制作的钢筋笼，增加管棚刚度)，管棚安装后先注水泥、水玻璃双液浆加固，再用M30水泥砂浆填充管棚，增加刚度。
打设大角度的超前小导管注浆。
按每循环40cm进尺开挖，并喷15 cm厚C30钢纤维混凝土封闭掌子面。
(6)布设φ8双层钢筋网，复喷 C30钢纤维混凝土至25 cm厚。
(7)打设BQD25径向系统中空锚杆并注浆(间距按0．5×O．5 m梅花型布置)。
如此按超前支护、开挖、立架、挂网、打设系统中空锚杆、复喷步骤，一步一步地开挖与支护，从而安全顺利地通过塌方段。
临时钢架段反向处理。在临时钢架段(长3 m)反向打设3环φ42注浆小导管，间距1 m；然后反向拆除一榀临时钢架，开挖至设计开挖轮廓线后，立即施作永久初期支护，如此逐榀拆除，逐段支护，直至临时钢架段处理完成。
3.2、 K0+162段塌方处理
该处塌方鉴于整个开挖掌子面围岩坚硬、完整性分布不均匀，主要是拱部以上
围岩破碎，但较坚硬，故从节省成本、加快处理速度考虑，采取双层小导管注浆超前支护措施，同样配合其它工程措施，通过塌方地段。其具体治理措施为：
(1)喷射C30钢纤维混凝土25 cm厚封闭塌方掌子面。
(2)对塌穴进行填充处理。在初期支护前端施工3根φ108钢管(长度约6 m)伸入塌穴内，向塌穴内吹灌砂、水泥、碎石混合干料，吹灌混合料至无法灌入为止。混合料配合比按水泥：砂：碎石=1：2．5：4拌制。
(3)对塌穴进行注浆加固处理。在初期支护前端，向塌穴打设10根φ42(壁厚4 mm)、L=6．O m钢花管注水泥浆加固。
(4)开挖前，在封闭掌子面处先施工双层φ42(壁厚4 mm)、L=5．0 m小导管双液注浆超前支护，小导管在拱部120°范围布置，环向间距40 cm。2层小导管外插角度分别为6°和8°，其它支护按第一次塌方处理参数，其中钢架纵向间距改为50 cm。
3.3、注意事项
处理塌体过程中除严格做好超前支护和注浆质量外，应尽量避免爆破。挖掘机和人工风镐无法开挖时，应控制药量，采用小药量预裂爆破挖掘较坚硬围岩。开挖后快速封闭围岩面，加强工序衔接，减少围岩暴露风化时间，使初期支护及时施作。同时洞内按3 m间距布置量测断面，进行拱顶下沉、周边收敛量测，洞外地表设置观测点进行地表下沉量测，洞内密切观察已完成初期支护的工作面有无变化情况。
4、防塌措施
从大坪隧道发生的两次开挖过程中掌子面塌方情况看，塌方是可以避免的。但如何预防，笔者认为：
(1)围岩条件复杂的情况下，两次塌方地段均缺少有效的地质超前预报，加之施工打設炮眼、锚杆孔、超前支护孔过程中对围岩进行短距离超前探测重视不足，操作人员经验欠缺，造成无法及时调整施工工艺。因此，对超前预报的手段，特别是地质复杂的特长隧道应引起足够重视。
(2)及时调整开挖方法。特别是对围岩分布不均匀的情况，施工中如果采取三台阶或双侧壁导坑法施工，可以避免塌方。
(3)在松散、软弱、破碎围岩段，需局部爆破时，必须严格控制炮眼深度、间距、装药量，减小对软弱破碎围岩的扰动。
(4)合理安排部署，缩短各工序时间，选择合理的循环进尺，采用如早强快硬材料快速封闭围岩面，减少围岩的暴露时间很有必要。
(5)配备适当数量的应急物资，如自进式锚杆、中空锚杆、钢管、钢拱架、快硬水泥等。两次塌方的共性均是由掉块逐步扩大，最后形成塌方。出现掉块后若能有效抑制围岩变形，将使出现大范围塌方的机率降到最低。
5、 结束语
隧道塌方会给施工带来重大的安全隐患和经济损失，因此应认真排除导致塌方的各种因素，避免塌方产生。隧道施工中预防塌方首先要做好地质预报，选择相应的、安全合理的施工方法，要注意掌握“管超前、严注浆、多分部、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则。塌方一旦发生，应该及时分析原因确定塌方形式，对未塌区域先进行加固，防止塌方继续扩大，并根据不同的塌方形式采取及时有效的处理方法。
作者简介：王存帮，男，出生于1980年4月，2003年7月毕业于焦作工学院，本科学历，工学学士，现工作于中铁十九局二公司。
关键词：水电站、隧道、塌方
1、工程概况及塌方介绍
1.1、工程概况
锦屏一级水电站地处四川省凉山州内雅砻江上，大坪隧道位于锦屏一级水电站雅砻江右岸锦屏山上，是连接三号营地和棉纱沟交通平台的唯一通道。山体呈SN走向，山坡坡度为48度到53度不等，最大埋深107m，整座隧道处于山体靠雅砻江侧、围岩软弱及地下水丰富地段。隧道全长2515m，设计隧道宽度10.5m，最大开挖高度8.96m。设计Ⅱ类围岩1476.1m ，Ⅲ类围岩1038.9m。施工过程中先后发生两次塌方，对工程进度造成一定的影响。
1.2、工程地质
隧道工程地质及水文地质条件：地质围岩为强至中风化炭质页岩、粉砂质页岩夹砂质泥岩，岩石抗压极限强度5.1～6.1MPa；岩层褶皱构造强烈，隧道地层出现小挤压和压扭断层，节理发育，裂隙纵横交错，层理产状为不规则状；岩层风化严重，相互间粘结能力极差，局部呈软弱夹层产出，岩石经开挖暴露后极易风化变软；地下水位低，地下水沿节理裂隙渗漏现象普遍。
根据地表横断面描述情况看，隧道里程K0+060～K0+180段120 m长范围有浅埋、偏压情况，且隧道穿越山体在该段里程处于山凹冲沟地貌，两次塌方均发生在该段落。从塌方情况看，围岩变化比较大，特别是拱部围岩特别破碎、松软，整体性差，开挖暴露后即出现坍塌，且速度快。
1.3、塌方过程与围岩情况
1.3.1、塌方过程
第一次塌方发生在2008年5月26日上午。洞身开挖按Ⅱ级围岩，采用台阶分部法施工至桩号K0+117时，完成开挖后初喷过程中掌子面拱部开始掉块，喷射混凝土封闭掌子面持续进行了近3 h，但坍塌仍在继续。塌方位置为上台阶右侧拱肩处，最终塌方高度约12 m，进深约4 m，塌方量约200m3。
第二次塌方发生在2008年8月4日上午。洞身开挖按Ⅱ级围岩，同样采用台阶分部法施工至桩号K0+162时，在出渣时掌子面拱部中线偏右侧处再次发生掉块。喷射混凝土封闭后，支护过程中又开始掉块，继而发展成大量坍塌，塌方位置为上台阶中线至右侧拱腰处，最终塌方高度约9 m，进深约3 m，塌方量约110m3，规模稍小。
1.3.2、塌方处围岩情况
第一次塌方处掌子面围岩为强风化砂质泥岩，围岩软弱，有4组裂隙。掌子面右侧围岩受破碎带影响，围岩节理、裂隙发育，不规则分布，部分节理为黄褐色粘土填充，呈碎裂状结构；掌子面左侧围岩节理较发育，呈块状结构，层厚约10～25 cm，走向大致与隧道中线平行。掌子面围岩整体性差，潮湿，无渗水情况。坍塌岩体软弱，呈泥状。
第二次塌方处掌子面拱顶及其以下1．O m高度范围为强风化泥质粉砂岩，岩体较软弱、破碎，部分风化成泥，呈散体状，岩块之间为胶泥填充，自稳能力差。掌子面右侧为强风化砂质泥岩和泥质粉砂岩，受断层构造带影响，围岩节理不清晰，较破碎，整体性差；掌子面左侧围岩为弱风化灰色粉砂岩，岩体较坚硬，受构造影响明显，岩层产状紊乱，破裂面光滑，节理较发育，岩体呈块状结构。有渗水情况。坍塌下来的岩体大小不一，最大块岩石长边长约38 cm，最小块粒径约3cm。岩块软硬不一，呈黄褐色，有水锈，可判断围岩极破碎，呈散体状结构。
1.4、塌方后存在问题
第一次塌方后，已完成的K0+100～K0+116段初期支护在外侧拱脚出现3条竖向裂缝，根据监控量测结果，K0+116里程处拱顶下沉5．2 cm，塌方处地表发现1条偏离隧道轴线约5 m并沿轴线走向的裂缝，宽度约5cm，同时在K0+128处地表发现一个直径约0.8m的塌坑，深度无法量测。
2、塌方原因分析
(1) K0+060～K0+180段围岩为强风化砂质泥岩和泥质粉砂岩，围岩软弱破碎，属断层构造产物。受破碎带影响，岩层呈碎裂状、裂隙块状结构，整体性差。
(2)围岩呈松软状态，自稳能力差。开挖后围岩受扰动，自稳能力降低。
(3)受雨季强降雨水渗透作用影响，地下水沿裂隙通道流出，使拱部围岩受侵蚀，软弱夹层软化，强度降低。开挖临空后受重力作用易沉降，并沿软弱面滑动，逐渐剥落掉块。
(4)隧道在该段落最小埋深约为29.7 m，加之地表山体陡峻，隧道有偏压情况，一定程度上诱发塌方。
(5)整个开挖掌子面围岩坚硬，完整性分布不均匀，对较坚硬围岩的开挖爆破，扰动围岩，增加诱发塌方的因素。
3、塌方处理
由于坍塌体都堆积在掌子面前，虽然两处塌方规模不同，围岩条件有所差别，但处理措施均是先加固未塌方段，阻止塌方继续发展，然后再处理塌方段，具体方法如下。
3.1、 K0+117塌方处理
鉴于隧道埋深、地表地貌条件、塌方规模、初期支护面裂缝以及地表发现的异常情况，为开挖后减少地表下沉和防止围岩再次坍塌，为向前掘进施工提供地质超前预报，增加施工安全度，提高隧道的长期稳定性，故确定K0+117～K0+137段20 m采用长24 m大管棚超前支护措施。采取先护后挖的综合处理措施，开挖前施作超前注浆小导管和径向中空锚杆，再配合其它工程措施，安全通过塌方地段。其具体治理措施为：
喷射C30钢纤维混凝土25 cm厚封闭塌方掌子面。
施作5 m长φ42注浆小导管(环向间距40 cm)对塌方掌子面进行注浆加固为
长管棚施工创造条件。
支立4榀临时钢拱架（间距1m），施工24 m長管棚(管内增加3根φ22钢
筋制作的钢筋笼，增加管棚刚度)，管棚安装后先注水泥、水玻璃双液浆加固，再用M30水泥砂浆填充管棚，增加刚度。
打设大角度的超前小导管注浆。
按每循环40cm进尺开挖，并喷15 cm厚C30钢纤维混凝土封闭掌子面。
(6)布设φ8双层钢筋网，复喷 C30钢纤维混凝土至25 cm厚。
(7)打设BQD25径向系统中空锚杆并注浆(间距按0．5×O．5 m梅花型布置)。
如此按超前支护、开挖、立架、挂网、打设系统中空锚杆、复喷步骤，一步一步地开挖与支护，从而安全顺利地通过塌方段。
临时钢架段反向处理。在临时钢架段(长3 m)反向打设3环φ42注浆小导管，间距1 m；然后反向拆除一榀临时钢架，开挖至设计开挖轮廓线后，立即施作永久初期支护，如此逐榀拆除，逐段支护，直至临时钢架段处理完成。
3.2、 K0+162段塌方处理
该处塌方鉴于整个开挖掌子面围岩坚硬、完整性分布不均匀，主要是拱部以上
围岩破碎，但较坚硬，故从节省成本、加快处理速度考虑，采取双层小导管注浆超前支护措施，同样配合其它工程措施，通过塌方地段。其具体治理措施为：
(1)喷射C30钢纤维混凝土25 cm厚封闭塌方掌子面。
(2)对塌穴进行填充处理。在初期支护前端施工3根φ108钢管(长度约6 m)伸入塌穴内，向塌穴内吹灌砂、水泥、碎石混合干料，吹灌混合料至无法灌入为止。混合料配合比按水泥：砂：碎石=1：2．5：4拌制。
(3)对塌穴进行注浆加固处理。在初期支护前端，向塌穴打设10根φ42(壁厚4 mm)、L=6．O m钢花管注水泥浆加固。
(4)开挖前，在封闭掌子面处先施工双层φ42(壁厚4 mm)、L=5．0 m小导管双液注浆超前支护，小导管在拱部120°范围布置，环向间距40 cm。2层小导管外插角度分别为6°和8°，其它支护按第一次塌方处理参数，其中钢架纵向间距改为50 cm。
3.3、注意事项
处理塌体过程中除严格做好超前支护和注浆质量外，应尽量避免爆破。挖掘机和人工风镐无法开挖时，应控制药量，采用小药量预裂爆破挖掘较坚硬围岩。开挖后快速封闭围岩面，加强工序衔接，减少围岩暴露风化时间，使初期支护及时施作。同时洞内按3 m间距布置量测断面，进行拱顶下沉、周边收敛量测，洞外地表设置观测点进行地表下沉量测，洞内密切观察已完成初期支护的工作面有无变化情况。
4、防塌措施
从大坪隧道发生的两次开挖过程中掌子面塌方情况看，塌方是可以避免的。但如何预防，笔者认为：
(1)围岩条件复杂的情况下，两次塌方地段均缺少有效的地质超前预报，加之施工打設炮眼、锚杆孔、超前支护孔过程中对围岩进行短距离超前探测重视不足，操作人员经验欠缺，造成无法及时调整施工工艺。因此，对超前预报的手段，特别是地质复杂的特长隧道应引起足够重视。
(2)及时调整开挖方法。特别是对围岩分布不均匀的情况，施工中如果采取三台阶或双侧壁导坑法施工，可以避免塌方。
(3)在松散、软弱、破碎围岩段，需局部爆破时，必须严格控制炮眼深度、间距、装药量，减小对软弱破碎围岩的扰动。
(4)合理安排部署，缩短各工序时间，选择合理的循环进尺，采用如早强快硬材料快速封闭围岩面，减少围岩的暴露时间很有必要。
(5)配备适当数量的应急物资，如自进式锚杆、中空锚杆、钢管、钢拱架、快硬水泥等。两次塌方的共性均是由掉块逐步扩大，最后形成塌方。出现掉块后若能有效抑制围岩变形，将使出现大范围塌方的机率降到最低。
5、 结束语
隧道塌方会给施工带来重大的安全隐患和经济损失，因此应认真排除导致塌方的各种因素，避免塌方产生。隧道施工中预防塌方首先要做好地质预报，选择相应的、安全合理的施工方法，要注意掌握“管超前、严注浆、多分部、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则。塌方一旦发生，应该及时分析原因确定塌方形式，对未塌区域先进行加固，防止塌方继续扩大，并根据不同的塌方形式采取及时有效的处理方法。
作者简介：王存帮，男，出生于1980年4月，2003年7月毕业于焦作工学院，本科学历，工学学士，现工作于中铁十九局二公司。