工程实务:浅谈小型水利水电工程隧洞塌方处理
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1 前言
小型水工隧洞断面通常都比较小，一般均采用全断面掘进法进行开挖。全断面开挖主要适用于石质坚硬、完整的围岩。但在比较松软的围岩条件下，对于较小的隧洞断面，也不得不采用全断面掘进法。对于比较松软的围岩，特别是Ⅳ类以上围岩，自身稳定性差，隧洞成型很困难，工程实际中要求采用边挖边衬工程措施。尽管如此，在工程施工中常不可避免的发生不同程度的隧洞塌方。本文对小型水利水电工程隧洞塌方原因作了比较详细的分析，并针对隧洞施工中发生的大塌方问题，提出了“超前临时支撑法”施工处理措施，且对该施工处理技术进行简要概述和举例说明。
2 塌方原因分析
小型水利水电工程隧洞施工中发生塌方的原因很多，根据小型水工隧洞的设计、施工条件并结合小型水工隧洞施工中发生塌方事故实例进行分析，塌方原因主要为以下几个方面：
一、地质勘察资料与工程实际不符，对可能出现的塌方，没有可靠的预防处理技术措施。一旦遇到软弱、破碎带地层，往往措手不及造成塌方。2004年12月，贵州省毕节市倒天河水库加高扩建工程右坝肩灌浆平洞在开挖过程中发生一起大塌方事故，经现场勘察分析，就属此种情况。
二、对不良地质地段的隧洞衬砌厚度不够，不能满足承载力要求，不能承受可能出现的山岩压力，完工后结构遭到破坏，进而引起塌方。
三、设计时，为了节约工程投资，过分追求较短的洞线，以便缩短洞身长度，获得良好经济效益，往往将洞轴线选在垭口最底处，趁沟进洞和出洞，且晚进洞、早出洞，加大了洞口处的开挖深度和洞脸仰坡的高度，却对地质和施工的不利因素不予去方位的考虑，在隧洞洞口和洞身施工中都可能发生塌方。
四、地质因素是造成塌方的重要原因。小型水利水电工程往往由于建设资金紧张，对必要的地质勘探工作没有做到位，缺乏隧洞所在地段的地质和水文地质资料，情况不明，致使水工设计人员进行隧洞设计时，将隧洞轴线选在了不良的地质区域，没有避开不良地层：如饱和粘土、流沙、堆积层;断裂、褶皱带;节理、裂隙发育带;含有各种不利的软弱结构的围岩，以及溶洞、陷穴等地质不良区域。当隧洞穿越不稳定地层时，很容易发生塌方。地下水发育的地区和地表水渗漏明显的地段，隧洞围岩的强度大大降低，加之空隙水的作用，在隧洞开挖过程中，极有可能发生坍塌冒顶，如不采取有效的工程措施，将会形成极大的塌方。
五、施工方法不当也是塌方的重要原因之一。主要表现为以下几点：
1、对稳定性差的围岩，开挖后没有及时支护衬砌，围岩长期暴露，山岩压力增长，引起塌方。
2、开挖爆破时，采用强爆破或装药过多，因强烈震动引发塌方。贵州省纳雍县鞍山水库除险加固工程泄水隧洞在开挖过程中，曾因此种原因引起较严重塌方事故，经改进爆破施工方法后没有发生因爆破震动引起的严重塌方事故。贵州省毕节市倒天河水库加高扩建工程右坝肩灌浆平洞在开挖过程中，也曾发生类似情况。
3、支撑结构不合理，支撑构件强度底，或支撑的位置和高程不当，在开挖、衬砌过程中必须拆除，引起塌方。2003年9月，贵州省纳雍县鞍山水库除险加固工程泄水隧洞在开挖过程中，曾发生一起塌方冒顶事故，经设计、监理、施工和业主等单位有关人员现场勘察分析，亦属此类情况。
4、不适当的停止施工，没有搞好施工排水，使围岩长期浸泡，处于饱和状态，山岩压力增大;围岩强度下降，一经扰动，便会引起塌方。
3 塌方预防和处理措施
对待小型水利水电工程隧洞塌方，我们一贯主张坚持以预防为主的原则。认真搞好预防工作，将会取得良好的效益。预防隧洞塌方，主要从以下三点着手：
首先，认真搞好勘测设计。在隧洞工程的勘测设计工作中，深入细致调查和勘探隧洞所在区域的地质和水文地质，详细掌握隧洞轴线和进出口的地质资料，对隧洞穿越垭口、沟谷和山体认真分析，尽可能全面掌握所有可能发生塌方的不良地质情况。选择洞线时，尽量避开断层、溶洞、堆积体流砂、地下水和软弱破碎带等不良地层，若必须通过时，应事先考虑相应的技术措施，正确选定施工方法，认真搞好施工组织设计，以便指导工程施工。
其次，施工中应正确合理选择施工方法和防塌技术措施，准备必要的材料和工具。防塌措施有：搞好施工排水、采用弱爆破或不爆破开挖技术、合理掌握开挖进度、加强支撑和衬砌进度等。
再次，施工过程中应经常进行检查，及时发现发生塌方的种种预兆，及时采取工程技术措施，防止塌方事故的发生。
对于小型水利水电工程隧洞塌方，尽管我们在工程实施工程中加强了各方面预防工作，但塌方事故还是时有发生。面对发生的塌方事故，我们是不知所措，还是认真对待，及时对塌方的原因进行分析，采取有效的处理措施呢?答案当然是肯定的。塌方发生后，应首先加固未塌地段，以防塌方蔓延，让抢险工作有一个安全的空间。同时，要组织相关人员到塌方现场调查研究，查明塌方的范围、性质以及塌方区围岩的地质构造和地下水活动情况，认真分析形成塌方的原因，及时制定出可行的塌方处理方案。
根据塌方的规模和塌碴的补给情况，塌方可分为大塌方和小塌方。当塌方体厚度大，范围长，已将开挖坑道堵死，或塌方还继续不停的扩展，人员不能或不易进入塌穴的，属于大塌方。反之，当塌方体不足以将坑道全部堵塞，塌方在较长的时间内不再发展或基本停止，人员有可能进入塌穴观察处理的，属于小塌方。根据塌方的危害程度，塌方亦可分为严重塌方和轻微塌方。对于塌方后造成很大的人员伤亡或损失的，属于严重塌方。反之，属于轻微塌方。无论是何种塌方，我们都应认真对待，并根据塌方的实际情况制定相应的塌方处理技术措施。
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在处理方法上，我国广大的工程技术人员经过对过去隧洞塌方处理经验总结，认为应按“小塌清、先支后清”和“大塌穿，先棚后穿”的原则快速进行。什么叫“小塌清、先支后清”和“大塌穿，先棚后穿”?所谓“小塌清、先支后清”，就是指当塌方量不大时，可采用将塌方全部清除的处理方法。在清除塌方之前，应将塌方的顶部支撑牢固，避免继续塌落，防止洞顶掉块砸伤施工人员。因为当隧洞发生第一次塌方后，自然拱范围内的土石还有继续坍塌的可能，塌方坑道的两侧边坡常不稳定，先清除塌碴可能会使侧壁失去平衡而松动塌落，塌方坑道进一步增宽，自然拱进一步增高而再次塌方。如此反复，极有可能引发大塌方。当然，若围岩地质条件较好，塌方只是局部的松软夹层，且范围不大，经分析不会继续塌方时，也可对塌方进行清除处理，再进行支撑或不支撑。所谓“大塌穿，先棚后穿”，就是指当塌方量很大，一时难以清除，塌穴形状和大小无法查明时，可将塌方体视为松散破碎的地层，采用超前支撑、开挖导坑的方法穿越塌方体。穿越前必须将塌方部为的两端支顶牢固，防止塌方延伸。穿越时，使用插板法支撑，在导坑顶部采用插板插入塌方体，形成棚顶，在棚顶的保护下，逐步开挖进占，并考虑边挖边衬砌。
贵州省毕节市倒天河水库加高扩建工程右坝肩灌浆平洞在开挖过程中发生一起大塌方。经参建单位有关技术人员现场勘察，发现塌方的范围极广，塌碴已充满整个平洞开挖坑道，且补给量极大，为饱和粘土夹岩石碎屑和小部分岩块。经分析，该段隧洞围岩条件极差，为Ⅳ类围岩断层破碎带，岩性主要为主要为灰岩并夹有松软粘土，地下水、节理、层理及裂隙发育，层面交错，风化极为严重，且该上部围岩为松软粘土夹岩石碎屑，下部围岩稍好，为块状岩体夹薄层松软粘土，致使围岩自稳能力极差，成型很困难。针对这一不利情况，通过参建单位有关技术人员研讨，最后确定采用“超前临时支撑法”施工方案对该段隧洞塌方进行处理。处理方法及步骤如下：
(1)采用工字钢和大直径钢筋预制钢拱桁架。
(2)施工排水。
(3)采用轻型轨道钢或工字钢(可用废旧材料)按一定水平间距沿隧洞设计开挖线以外斜向顶部打入塌方堆积体内，形成顶棚。
(4)采用千斤顶调整轨道钢或工字钢高度，使其大致在隧洞顶拱外弧线上，并用圆木支撑固定。
(5)采用预制钢拱桁架支撑替换圆木支撑，用千斤顶进一步调整轨道钢或工字钢高度，使其在钢拱桁架的外弧线上。
(6)在临时支护结构的保护下，边挖边撑，将隧洞设计开挖线内的塌碴逐段清除。在清除塌碴的同时，为了避免前方塌方堆积体发生坍塌，应采用钢管、木桩或工字钢等将掌子面塌方堆积体支撑牢固。各个支撑构件，均不得侵占衬砌断面。衬砌后不再拆除。
(7)随即对隧洞按设计要求进行钢筋混凝土衬砌。每掘进1m，应马上立模浇注混凝土。
(8)重复上述操作，循序渐进，逐步推进。
经过约一个月的努力，终于通过了塌方段，完成了施工任务。
4 结束语
塌方地段的地质条件很差，塌方形成围岩更加松软、错乱，会形成更大的山岩压力。因此，加强施工临时支护和衬砌措施具有重要意义。除此之外，我们应对衬砌以外的空洞和围岩进行加固，填实塌穴，进行回填灌浆，力求根治，以免后患。
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