小型水工隧洞斷面通常都比較小，一般均采用全斷面掘進(jìn)法進(jìn)行開(kāi)挖。全斷面開(kāi)挖主要適用于石質(zhì)堅(jiān)硬、完整的圍巖。但在比較松軟的圍巖條件下，對(duì)于較小的隧洞斷面，也不得不采用全斷面掘進(jìn)法。對(duì)于比較松軟的圍巖，特別是Ⅳ類以上圍巖，自身穩(wěn)定性差，隧洞成型很困難，工程實(shí)際中要求采用邊挖邊襯工程措施。盡管如此，在工程施工中常不可避免的發(fā)生不同程度的隧洞塌方。本文對(duì)小型水利水電工程隧洞塌方原因作了比較詳細(xì)的分析，并針對(duì)隧洞施工中發(fā)生的大塌方問(wèn)題，提出了“超前臨時(shí)支撐法”施工處理措施，且對(duì)該施工處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述和舉例說(shuō)明。
塌方原因分析
小型水利水電工程隧洞施工中發(fā)生塌方的原因很多，根據(jù)小型水工隧洞的設(shè)計(jì)、施工條件并結(jié)合小型水工隧洞施工中發(fā)生塌方事故實(shí)例進(jìn)行分析，塌方原因主要為以下幾個(gè)方面：
一、地質(zhì)勘察資料與工程實(shí)際不符，對(duì)可能出現(xiàn)的塌方，沒(méi)有可靠的預(yù)防處理技術(shù)措施。一旦遇到軟弱、破碎帶地層，往往措手不及造成塌方。2004年12月，貴州省畢節(jié)市倒天河水庫(kù)加高擴(kuò)建工程右壩肩灌漿平洞在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生一起大塌方事故，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，就屬此種情況。
二、對(duì)不良地質(zhì)地段的隧洞襯砌厚度不夠，不能滿足承載力要求，不能承受可能出現(xiàn)的山巖壓力，完工后結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而引起塌方。
三、設(shè)計(jì)時(shí)，為了節(jié)約工程投資，過(guò)分追求較短的洞線，以便縮短洞身長(zhǎng)度，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益，往往將洞軸線選在埡口最底處，趁溝進(jìn)洞和出洞，且晚進(jìn)洞、早出洞，加大了洞口處的開(kāi)挖深度和洞臉仰坡的高度，卻對(duì)地質(zhì)和施工的不利因素不予去方位的考慮，在隧洞洞口和洞身施工中都可能發(fā)生塌方。
四、地質(zhì)因素是造成塌方的重要原因。小型水利水電工程往往由于建設(shè)資金緊張，對(duì)必要的地質(zhì)勘探工作沒(méi)有做到位，缺乏隧洞所在地段的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，情況不明，致使水工設(shè)計(jì)人員進(jìn)行隧洞設(shè)計(jì)時(shí)，將隧洞軸線選在了不良的地質(zhì)區(qū)域，沒(méi)有避開(kāi)不良地層：如飽和粘土、流沙、堆積層；斷裂、褶皺帶；節(jié)理、裂隙發(fā)育帶；含有各種不利的軟弱結(jié)構(gòu)的圍巖，以及溶洞、陷穴等地質(zhì)不良區(qū)域。當(dāng)隧洞穿越不穩(wěn)定地層時(shí)，很容易發(fā)生塌方。地下水發(fā)育的地區(qū)和地表水滲漏明顯的地段，隧洞圍巖的強(qiáng)度大大降低，加之空隙水的作用，在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，極有可能發(fā)生坍塌冒頂，如不采取有效的工程措施，將會(huì)形成極大的塌方。
五、施工方法不當(dāng)也是塌方的重要原因之一。主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：
1、對(duì)穩(wěn)定性差的圍巖，開(kāi)挖后沒(méi)有及時(shí)支護(hù)襯砌，圍巖長(zhǎng)期暴露，山巖壓力增長(zhǎng)，引起塌方。
2、開(kāi)挖爆破時(shí)，采用強(qiáng)爆破或裝藥過(guò)多，因強(qiáng)烈震動(dòng)引發(fā)塌方。貴州省納雍縣鞍山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程泄水隧洞在開(kāi)挖過(guò)程中，曾因此種原因引起較嚴(yán)重塌方事故，經(jīng)改進(jìn)爆破施工方法后沒(méi)有發(fā)生因爆破震動(dòng)引起的嚴(yán)重塌方事故。貴州省畢節(jié)市倒天河水庫(kù)加高擴(kuò)建工程右壩肩灌漿平洞在開(kāi)挖過(guò)程中，也曾發(fā)生類似情況。
3、支撐結(jié)構(gòu)不合理，支撐構(gòu)件強(qiáng)度底，或支撐的位置和高程不當(dāng)，在開(kāi)挖、襯砌過(guò)程中必須拆除，引起塌方。2003年9月，貴州省納雍縣鞍山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程泄水隧洞在開(kāi)挖過(guò)程中，曾發(fā)生一起塌方冒頂事故，經(jīng)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工和業(yè)主等單位有關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)勘察分析，亦屬此類情況。
4、不適當(dāng)?shù)耐Ｖ故┕�，沒(méi)有搞好施工排水，使圍巖長(zhǎng)期浸泡，處于飽和狀態(tài)，山巖壓力增大；圍巖強(qiáng)度下降，一經(jīng)擾動(dòng)，便會(huì)引起塌方。
塌方預(yù)防和處理措施
對(duì)待小型水利水電工程隧洞塌方，我們一貫主張堅(jiān)持以預(yù)防為主的原則。認(rèn)真搞好預(yù)防工作，將會(huì)取得良好的效益。預(yù)防隧洞塌方，主要從以下三點(diǎn)著手：
首先，認(rèn)真搞好勘測(cè)設(shè)計(jì)。在隧洞工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)工作中，深入細(xì)致調(diào)查和勘探隧洞所在區(qū)域的地質(zhì)和水文地質(zhì)，詳細(xì)掌握隧洞軸線和進(jìn)出口的地質(zhì)資料，對(duì)隧洞穿越埡口、溝谷和山體認(rèn)真分析，盡可能全面掌握所有可能發(fā)生塌方的不良地質(zhì)情況。選擇洞線時(shí)，盡量避開(kāi)斷層、溶洞、堆積體流砂、地下水和軟弱破碎帶等不良地層，若必須通過(guò)時(shí)，應(yīng)事先考慮相應(yīng)的技術(shù)措施，正確選定施工方法，認(rèn)真搞好施工組織設(shè)計(jì)，以便指導(dǎo)工程施工。
其次，施工中應(yīng)正確合理選擇施工方法和防塌技術(shù)措施，準(zhǔn)備必要的材料和工具。防塌措施有：搞好施工排水、采用弱爆破或不爆破開(kāi)挖技術(shù)、合理掌握開(kāi)挖進(jìn)度、加強(qiáng)支撐和襯砌進(jìn)度等。
再次，施工過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)生塌方的種種預(yù)兆，及時(shí)采取工程技術(shù)措施，防止塌方事故的發(fā)生。
對(duì)于小型水利水電工程隧洞塌方，盡管我們?cè)诠こ虒?shí)施工程中加強(qiáng)了各方面預(yù)防工作，但塌方事故還是時(shí)有發(fā)生。面對(duì)發(fā)生的塌方事故，我們是不知所措，還是認(rèn)真對(duì)待，及時(shí)對(duì)塌方的原因進(jìn)行分析，采取有效的處理措施呢？答案當(dāng)然是肯定的。塌方發(fā)生后，應(yīng)首先加固未塌地段，以防塌方蔓延，讓搶險(xiǎn)工作有一個(gè)安全的空間。同時(shí)，要組織相關(guān)人員到塌方現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究，查明塌方的范圍、性質(zhì)以及塌方區(qū)圍巖的地質(zhì)構(gòu)造和地下水活動(dòng)情況，認(rèn)真分析形成塌方的原因，及時(shí)制定出可行的塌方處理方案。
根據(jù)塌方的規(guī)模和塌碴的補(bǔ)給情況，塌方可分為大塌方和小塌方。當(dāng)塌方體厚度大，范圍長(zhǎng)，已將開(kāi)挖坑道堵死，或塌方還繼續(xù)不停的擴(kuò)展，人員不能或不易進(jìn)入塌穴的，屬于大塌方。反之，當(dāng)塌方體不足以將坑道全部堵塞，塌方在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不再發(fā)展或基本停止，人員有可能進(jìn)入塌穴觀察處理的，屬于小塌方。根據(jù)塌方的危害程度，塌方亦可分為嚴(yán)重塌方和輕微塌方。對(duì)于塌方后造成很大的人員傷亡或損失的，屬于嚴(yán)重塌方。反之，屬于輕微塌方。無(wú)論是何種塌方，我們都應(yīng)認(rèn)真對(duì)待，并根據(jù)塌方的實(shí)際情況制定相應(yīng)的塌方處理技術(shù)措施。
在處理方法上，我國(guó)廣大的工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)對(duì)過(guò)去隧洞塌方處理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為應(yīng)按“小塌清、先支后清”和“大塌穿，先棚后穿”的原則快速進(jìn)行。什么叫“小塌清、先支后清”和“大塌穿，先棚后穿”？所謂“小塌清、先支后清”，就是指當(dāng)塌方量不大時(shí)，可采用將塌方全部清除的處理方法。在清除塌方之前，應(yīng)將塌方的頂部支撐牢固，避免繼續(xù)塌落，防止洞頂?shù)魤K砸傷施工人員。因?yàn)楫?dāng)隧洞發(fā)生第一次塌方后，自然拱范圍內(nèi)的土石還有繼續(xù)坍塌的可能，塌方坑道的兩側(cè)邊坡常不穩(wěn)定，先清除塌碴可能會(huì)使側(cè)壁失去平衡而松動(dòng)塌落，塌方坑道進(jìn)一步增寬，自然拱進(jìn)一步增高而再次塌方。如此反復(fù)，極有可能引發(fā)大塌方。當(dāng)然，若圍巖地質(zhì)條件較好，塌方只是局部的松軟夾層，且范圍不大，經(jīng)分析不會(huì)繼續(xù)塌方時(shí)，也可對(duì)塌方進(jìn)行清除處理，再進(jìn)行支撐或不支撐。所謂“大塌穿，先棚后穿”，就是指當(dāng)塌方量很大，一時(shí)難以清除，塌穴形狀和大小無(wú)法查明時(shí)，可將塌方體視為松散破碎的地層，采用超前支撐、開(kāi)挖導(dǎo)坑的方法穿越塌方體。穿越前必須將塌方部為的兩端支頂牢固，防止塌方延伸。穿越時(shí)，使用插板法支撐，在導(dǎo)坑頂部采用插板插入塌方體，形成棚頂，在棚頂?shù)谋Ｗo(hù)下，逐步開(kāi)挖進(jìn)占，并考慮邊挖邊襯砌。
貴州省畢節(jié)市倒天河水庫(kù)加高擴(kuò)建工程右壩肩灌漿平洞在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生一起大塌方。經(jīng)參建單位有關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)塌方的范圍極廣，塌碴已充滿整個(gè)平洞開(kāi)挖坑道，且補(bǔ)給量極大，為飽和粘土夾巖石碎屑和小部分巖塊。經(jīng)分析，該段隧洞圍巖條件極差，為Ⅳ類圍巖斷層破碎帶，巖性主要為主要為灰?guī)r并夾有松軟粘土，地下水、節(jié)理、層理及裂隙發(fā)育，層面交錯(cuò)，風(fēng)化極為嚴(yán)重，且該上部圍巖為松軟粘土夾巖石碎屑，下部圍巖稍好，為塊狀巖體夾薄層松軟粘土，致使圍巖自穩(wěn)能力極差，成型很困難。針對(duì)這一不利情況，通過(guò)參建單位有關(guān)技術(shù)人員研討，最后確定采用“超前臨時(shí)支撐法”施工方案對(duì)該段隧洞塌方進(jìn)行處理。
處理方法及步驟如下：
（1）采用工字鋼和大直徑鋼筋預(yù)制鋼拱桁架。
（2）施工排水。
（3）采用輕型軌道鋼或工字鋼（可用廢舊材料）按一定水平間距沿隧洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖線以外斜向頂部打入塌方堆積體內(nèi)，形成頂棚。
（4）采用千斤頂調(diào)整軌道鋼或工字鋼高度，使其大致在隧洞頂拱外弧線上，并用圓木支撐固定。
（5）采用預(yù)制鋼拱桁架支撐替換圓木支撐，用千斤頂進(jìn)一步調(diào)整軌道鋼或工字鋼高度，使其在鋼拱桁架的外弧線上。
（6）在臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，邊挖邊撐，將隧洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖線內(nèi)的塌碴逐段清除。在清除塌碴的同時(shí)，為了避免前方塌方堆積體發(fā)生坍塌，應(yīng)采用鋼管、木樁或工字鋼等將掌子面塌方堆積體支撐牢固。各個(gè)支撐構(gòu)件，均不得侵占襯砌斷面。襯砌后不再拆除。
