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霍尔古吐水电站引水隧洞垮塌整治对策探析

2025-02-13 53 上传者：管理员

摘要：霍尔古吐水电站引水隧洞在施工过程中，出现局部洞段垮塌、掉块等现象。参建各方及时勘察、综合分析，一致认为导致隧洞垮塌的主要原因是施工过程中遇岩性变化时动态调整应对能力不足、支护不及时、地勘不够细致，通过采取喷锚支护、导排水、增强钢拱架支撑、对脱空区分层回填混凝土等措施，成功通过了垮塌段，确保了施工安全。文中针对垮塌隧洞段处理方法，技术高效、简单易行。研究结果为同类隧洞垮塌的应急处置提供了参考与借鉴。

关键词：
垮塌
应急处治
新疆
隧洞
霍尔古吐电站
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隧洞垮塌是一种常见的地质灾害,不仅会造成巨大的经济损失,还会威胁人的生命安全｡在水工隧洞工程中,若遭遇突发垮塌,因受限于进度和经济因素,时常在缺乏对事故原因及安全防护措施充分剖析的情形下急于应对,这种处置不仅会提升施工风险,还可能造成潜在的二次垮塌隐患｡陈祖祥[1]基于隧道围岩坍塌原因分析及有效的综合处理技术,结果表明,采用加密钢拱架､深孔锚杆､铺设钢筋网片､高强喷射混凝土及注浆手段可以形成整体支护体系稳定｡刘全兴[2]通过加强施工临时支护和衬砌,对衬砌以外的空洞和围岩进行填实塌穴,回填灌浆方式进行处理,提出一种“超前临时支撑法”的施工处理技术措施｡朱汉华等[3]基于围岩能量守恒方法推导了隧道围岩与支护结构变形协调机制,提出了一种吸能让压-支承抗压的新型隧道围岩支护工艺｡刘泽毅[4]通过软岩区深埋隧洞工程分析了隧洞不同位置处的内力及变形规律,结果表明,围岩质量越差,初支结构受力越大｡初支拱架受力表现典型的不均匀的特性｡二衬结构可以有效的对初支结构内力进行重分配,对于软岩大变形区的隧洞支护结构宜加强支护方案刚度｡下文基于霍尔古吐水电站工程引水隧洞垮塌处理实例,探讨了隧洞垮塌的原因､针对性处治技术,保障了施工安全､顺利进行,可为同类型隧洞施工提供参考｡

1、工程概况

霍尔古吐水电站工程位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州和静县境内,是新疆开都河中游河段梯级规划的第三座水电站｡坝址位于霍尔古吐沟上游6.1km处,厂址位于霍尔古吐沟沟口下游约15.6km,工程的开发任务是确保下游生态用水需求的同时,推动地方经济与社会的可持续发展,其主体工程结构包含首部枢纽设施､发电引水系统及地面厂房等建筑物｡

本工程采用长引水式发电,引水隧洞总长度约17.5km,中间设置7条施工支洞,起止里程为K0+000~K17+498,洞内线路设计坡度沿线路前进方向均为下坡｡从围岩类别看,主要为Ⅲ类,占60%;少量Ⅱ类,约占10%;部分Ⅳ类,约占30%;局部可能存在少量Ⅴ类围岩｡隧洞基本深埋地下,大部分洞段垂直埋深多在150m以上,最大762m左右,少量洞段埋深小于100m｡

2、隧洞坍塌段情况

本工程隧洞垮塌处位于5号施工支洞控制的主洞上游段,距离支洞与主洞交叉口处约30m处,垮塌时下游面仅开挖不足20m,垮塌段桩号13+498~13+487.2,上覆岩体厚320~462m,隧洞岩体主要为新鲜砂质凝灰岩夹凝灰质砂岩,岩体结构以中等厚度层状至薄片状为主,产状NE45°~NW78°∠41°~59°,岩层走向与洞线夹角24°~57°｡主要发育结构面为小断层､长大裂隙及层理｡地下水较发育,岩体完整性差,属Ⅳ类围岩｡

2024年,2月28日13∶02,掌子面实施了爆破作业,随后在当日17∶34完成出渣并进行排险｡排险中发现掌子面顶端局部区域显露出湿润迹象,未呈现显著渗水现象,且发现一条斜向分布的断层带｡在现场,专职的安全管理人员迅速察觉到这一情况,随即将人员及机具撤离至安全地带｡18∶10在K13+487处围岩显露出明显的涌水现象,伴随局部岩石剥落｡在随后的24h内,洞顶出现数次掉块及垮塌,明水逐渐增多,掉块明显增大｡3月1日13∶30左右垮塌体趋于稳定｡

垮塌体稳定后,建设单位组织人员对现场进行了详细的勘查,发现洞顶垮塌使顶拱向上形成约3.0m(最高处约5.0m)的三角形空腔,如图1—2所示｡

图1K13+491垮塌断面图

塌落的岩体约198m3,岩体主要为中厚层砂质凝灰岩,岩层面与洞轴线呈小角度相交｡近掌子面6.0m左右出露小断层,出露宽约0.3m,充填原岩角砾及锈黄色泥屑质;另近掌子面4.0m左右出露2条小断层,出露宽度约为0.1~0.2m,充填原岩角砾及泥钙质｡沿掌子面及洞顶出露具轻承压性线状流水,总水量在0.1L/s左右｡

图2K13+493垮塌断面图

3、垮塌原因调查及分析

垮塌发生后,建设单位协同施工､设计及监理单位对垮塌原因进行深入调查及分析｡经过现场勘察及综合判断,垮塌的主要原因可归纳为3个方面｡

(1)对于隧洞地质环境的动态认知存在局限,工程对策实施缺乏充分针对性或适应性｡根据原掌子面揭露的地质特性,该区域主要为砂质凝灰岩结构,其中掺杂有原岩角砾和呈现锈黄色的泥屑,且地层中普遍存在显著的断裂构造｡此外,围岩的岩体含水状况相对较高｡岩层走向与洞轴线小角度相交不利于洞室稳定,层理､小断层的相互切割使岩体破碎呈块体状｡此外,地下水的作用进一步加剧了岩体的软化,削弱了拱顶围岩块体之间的相互约束力｡在面临围岩动态变化的情境中,施工团队未遵循程序,未将这些变化及时通知设计部门和监理机构,也未随之调整相应的爆破参数设置｡

(2)施工单位表现出明显的急于求成心态,倾向于优先考虑工程进度和完成工期｡衬砌不及时,与掌子面距离过大显著加剧了垮塌的风险｡洞室开挖后裸露时间过长,导致拱顶围岩的应力未能得到有效控制,形成散体状极松动圈,产生下落垮塌｡洞顶围岩已形成垮塌,长时间裸露,可能使第二松动圈产生二次较大范围垮塌｡

(3)地质勘察不足,设计考虑不够全面,勘察点的分布密度偏低,导致地质勘查数据的详尽度和精确性无法保证｡原始地质勘查报告显示,该隧洞围岩被定为Ⅲ类｡然而实际围岩情况是:围岩结构破碎,存在众多断裂带,且地下水活跃,整体稳定性较低｡根据围岩分类标准,该区域围岩应归类为Ⅳ类,加之施工时衬砌措施未能及时实施,导致岩体长期暴露,应该将其视为Ⅳ类围岩进行施工和选择相应支护参数,故而增加了施工时发生垮塌事故的可能性｡

4、隧洞垮塌处治措施

经多方共商,集思广益,结合对垮塌原因的分析,参考了类似隧洞垮塌的修复案例,在坚持施工安全的核心原则下,充分评估了可能遇到的各种风险与不确定因素,同时兼顾了现场技术团队的能力､设备配置以及可用资源,综合考量,最终决定对该段隧洞进行如下处理｡

(1)洞顶围岩已遭受了明显的塌陷,且长期裸露无防护,这可能导致第二松动圈产生二次较大范围垮塌风险｡若垮塌态势持续加剧,必然导致上方山体结构稳定性受影响,直接威胁到支洞丁字口区域现有的挖掘作业区及过往车辆的安全,情势极为严峻｡因此,现场实施的管控策略强调即刻对已完成挖掘的区域实施支护,优先采用混凝土初喷封闭暴露的表面,随后采用锚杆､挂网钢筋并施以足够厚度的喷射混凝土,以此防止垮塌其向外部扩展｡

(2)垮塌处洞顶有线状流水,在垮塌部位的顶部和侧面增设排水孔,并安置线性水流通道｡完成对渗漏水问题的整治后,立即对围岩表面喷射混凝土覆盖｡在垮塌区域周边实施地面夯实处理,构建适宜的流水引导坡面,促使水流导入预设的排水系统,以此避免洞穴内部积水｡同时,检查排水设施,对任何可能导致渗漏的裂缝和开口采用砂浆填充以确保密封性｡

(3)针对13+498~13+487.2段存在的垮塌问题,采用增强的钢拱架支撑体系｡原设计的钢拱架间距由每0.8m一榀调整为每0.5m一榀,实施策略为逐榀安装,以逐步推进的方式进行｡

(4)隧洞全断面喷射C25混凝土,厚10cm,同时采用间距为15cm×15cm的φ6钢筋网进行加固｡钢拱架设φ25锁脚锚杆,锚杆长4.5m,每个拱脚处左右各设1根｡为了确保施工安全､进度,混凝土加入早强速凝剂以加速硬化进程｡

(5)针对隧洞拱架侧面的过度挖掘和脱空区域,钢支撑与岩面之间填充块石混凝土使其与岩面紧密结合｡在钢拱架稳固地延伸至掌子面后,实施分层填充方法以修复顶拱的空隙区域｡第一层填充层厚50cm,后续厚50~100cm一层,共分为5~7层进行回填作业｡对顶拱区域存在大于50cm高且横向尺寸超过100cm的脱空区域,实施补强措施,即增设辅助拱架或点支｡辅助拱的构形根据原脱空部分的具体形态定制,以最大程度地紧贴岩层面｡辅助拱的支柱设置为2~3个,均匀分布于该区域｡辅助拱选用与主体拱相同的钢材型号以确保结构的整体性和强度一致性｡

(6)在安全支护到位的情况下,进行下方碴体清理｡

在进行上述处理时,使用伸臂较长的机具进行施工,施工人员始终处于护拱的保护下｡

5、结论与建议

通过对霍尔古吐水电站隧洞垮塌的原因分析和处治措施,初步得到以下结论和建议｡

(1)隧洞工程的地质勘察工作较为复杂,难以达到与其他工程类似的详尽与精准,同时因其对安全性要求更高,可能时尽量借助超前钻探和预开导洞,以充分了解掌握地质特性,实施有效的地质风险评估与预警｡

(2)施工过程中,务必减小对围岩的扰动,采取精细的浅层钻孔和低强度爆破技术,并采用多步骤循环作业方式｡在遭遇地质条件突变时,应迅速与设计单位沟通并反馈,启动应急预案,随即调整策略｡

(3)及时进行锚喷支护,同时尽快完成衬砌工作,以保障围岩稳定和施工安全｡

(4)本文中的垮塌隧洞段处理方法和技术高效､简易,施工过程中,所有机械设备和工作人员都处于坚实且安全的支撑结构保障之下,确保了作业过程中的绝对安全,为同类隧洞崩塌的应急处理提供了有价值的参考｡

参考文献:

[1]陈祖祥.隧道围岩坍塌原因分析及有效的综合处理技术[J].价值工程,2015:3.

[2]刘全兴.浅谈小型水利水电工程隧洞塌方处理[J].科技风,2009(15):2.

[3]朱汉华,周小涵,王龚,等.隧道围岩与支护结构变形协调控制机理及工程应用[J].地下空间与工程学报,2023(1):79-86.