小断面水工隧洞工程塌方分析及处理措施

李 龙

（甘肃省水利水电工程局有限责任公司，甘肃兰州730030）

水工隧洞是水利水电工程一项基础的工程，是为该工程中各项任务而设置、建设的隧洞，用以配合溢洪道宣泄洪水，或引水发电，或为灌溉、排放水库泥沙、供水和航运输水等基础任务[1]。在水工隧洞施工中，经常出现塌方现象，特别是在一些地质条件较差的地方更是容易发生。一旦水工隧洞出现塌方现象，不但会影响施工的顺利进行，造成经济损失，还会威胁到施工人员的生命财产安全[2]。因此，在水工隧洞施工中，施工企业必须采取有效措施预防塌方现象的出现，如果出现塌方，需细致分析出现塌方的原因，并及时制定有效的处理方案，以减少塌方现象带来的各种损失。

1 小断面水工隧洞工程概述

水工隧洞可用于灌溉、发电、供水、泄水、输水、施工导流和通航，是水利工程施工建设重要的组成部分。所谓的水工隧洞，是指在山体中或者在地下开凿的过水洞。其中，用于灌溉且水流在洞内具有自由水面的水工隧洞，被称为无压隧洞，而水流充满整个隧洞的断面，使洞壁承受一定水压力的水工隧洞，则被称为有压隧洞。在小型水工隧洞施工中，隧洞线路的设计和施工必须与水利工程的建设任务相适应，并根据该水利工程的地形、工程地质以及水文地质、水文等条件选定，线路也应力求短而直。

2 小断面水工隧洞工程塌方的原因

小断面水工隧洞出现塌方的原因较多，大体上可以分为地质环境因素和人为因素2 个方面。其中，地质因素主要是指施工现场存在着不良地层，如岩体松散、断层破碎带、膨胀、岩涌、多水以及高压含水层等[3]。而人为因素则是指在进行水工隧洞施工过程中，施工企业为了节约施工成本，没有对施工现场的地质环境进行认真勘探，设计的施工方案不合理，过分追求最短的施工洞线，往往会将洞轴线选在垭口的最低处，趁沟进洞出洞，而且还存在着“晚进洞、早出洞”的行为，导致洞口处开挖深度及洞脸扬坡高度的增加，从而无法避开饱和黏土、流沙、堆积层、断裂和褶皱带、节理和裂隙发育带、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。此外，人为因素还包括施工人员在对不良地质地段的隧洞进行衬砌时，衬砌的厚度不够，根本无法满足承载力的要求，导致完工后的结构无法承受可能出现的山岩压力，导致衬砌结构遭到破坏，进而引发塌方现象[4]，严重影响着小断面水工隧洞施工的质量、进度和安全。以引洮供水二期工程为例，该工程主体工程施工第63 标段从八干渠14#隧洞出口（刚家坪）控制段桩号42+359.95 起，一直到21#隧洞进口（塬子坪）控制段桩号61+307.32 止，标段渠线长18 947.37 m，共涉及8 个水工隧洞的施工。且第63 标段的地貌形态为新塬和刘寨黄土塬、黄土梁峁，黄土厚度增大，冲沟底多有基岩零星出露，在较大的黄土河川沟道内发育有Ⅰ～Ⅲ级阶地。特别是16#～21#隧洞及明渠主要布置在黄土塬及梁峁区。隧洞围岩主要为马兰黄土（eolQ32）、黄土状土（plQ31）、离石黄土（plQ2）和新近系砂质泥岩。此外，还有部分进出口洞段为饱水黄土状土（plQ31），围岩稳定性较差。在这种地质条件下进行小断面水工隧洞工程施工，因施工现场存在着不良地层，极易出现塌方事故。

3 小断面水工隧洞工程塌方处理措施

在引洮供水二期主体工程施工第63 标段隧洞洞室开挖支护施工中，施工企业在进行小型水工隧洞掘进时，根据围岩的类别，采用了“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则[5]，积极推广并应用了国内外隧洞施工的新技术和新工艺，采购了目前国内较为先进的机械设备，使挖、装、运、锚、衬等施工作业行为实现了机械化。而且在施工中还计划加强了地质超前预报及围岩量测，采取了超前钻探孔，用以探明地质的情况，分析围岩的类别，在此基础上，确定了开挖的方法，并调整了各项技术指标，确定了支护的型式。另外，在施工中施工企业还采用了BJSD-2 型激光隧洞限界检测收敛仪和NA828 水平仪等先进的仪器设备，对周边水平收敛和拱顶下沉情况进行细致的量测，然后将收集到的数据进行认真的分析处理，以便于及时反馈信息用于施工指导。

在具体的操作中，施工企业在土质隧洞及软岩隧洞开挖中主要采用铣挖机进行挖掘，铣挖机无法开挖时，则采用爆破法进行施工，出渣均采用铣挖机装渣、自卸车运输。在洞段开挖后，施工企业及时采用了系统锚杆、钢拱架、钢筋网片及喷射混凝土进行联合支护。支护措施由外至内钢拱架、锚杆、喷砼、钢筋网片、补喷。必要时在顶拱180°范围内布置Φ42超前钢管管棚，导管棚沿洞轴线方向环向设置，管棚长3 m，间距300 m，搭接长度不小于1 m。拱架采用I12“工”字钢，每片拱片两头设法兰，拱片对接后先用螺栓连接后再焊接，加强段钢拱架间距为0.5～0.8 m，洞身段加强段钢拱架间距为0.6～1.0 m，拱架与拱架之间采用连接筋连接，间距1 m,必要时进行加密或增设交叉连接筋[6]。

喷砼总厚度为10 cm，其中，初喷混凝土厚度一般为5 cm，复喷达到10 cm，混凝土采用C20 混凝土。在顶拱180°范围内砼喷层中设置拱直径Φ6.0@200 的钢筋网片，钢筋网片和拱架间的连接采用焊接。土洞段设置Φ16 挂网锚筋，岩洞段设置Φ18 水泥基药卷系统锚杆，挂网锚筋及水泥基药卷锚杆长1.5 m，锚孔内填水泥基药卷，锚杆间距1.5 m×1.5 m，每排4 根或3 根呈梅花形布置[7]。

考虑到隧洞断面较小，在供风方面配500 P 风筒供风；在供水方面采用Ф50 钢管，配管通泵供水，喷锚供风采用Ф108 风管。隧洞排水根据实际渗水量的大小及涌水量配置相应功率的水泵及排水钢管，并且配备2～3 台相应功率水泵备用，水泵的选型上力求型号统一，便于维修和管理，单台备用水泵原则上不得低于最大排水水泵功率。

4 结束语

加强小断面水工隧洞工程管理，对工程出现塌方的原因进行分析，并探讨小断面水工隧洞工程塌方现象的处理措施，可有效避免水工隧洞工程施工中出现塌方的现象，确保施工质量。