1、地下洞室开挖塌方的原因及处理措施分析作者：刘清兵（单位名称：中国水电建设集团十五工程局有限公司，西安 邮编：710068）摘 要：通过对 老挝南俄 5 水 电站长距离地下隧洞的施工中，对隧洞开挖过程中出现的塌方次数的统计，并结合隧洞断面大小、支护形式及支护参数，分析隧洞塌方原因，总结出不良地质条件下隧洞施工措施。关键词：地下洞室 开挖塌方 原因 处理措施1 工程基本概况1.1 工程简介Nam Ngum5 水电站位于老挝 Nam Ngum 河上游右岸支流 Nam Ting 河上，位于老挝北部山区，属亚热带雨林气候，植被茂密，年降雨量约 3000mm，分雨旱两季，从 3 月开始降雨，到 11 月上
2、旬结束，历时近 8 个月。电站采用混合式开发，以发电为单一开发目标，Nam Ngum5 水电站装机容量 260MW。枢纽总布置主要由首部枢纽、引水工程和厂区枢纽三部分组成。首部枢纽由挡水坝和电站进水口等建筑物组成；引水工程由引水隧洞、调压室、压力管道等建筑物组成；厂区枢纽包括主副厂房、开关站、运行村等建筑物。1.2 十五局承建的施工任务我局主要承建引水发电系统施工任务，施工主要内容以地下工程为主，主要任务有：进水口 55m 高的放水塔；8757m 长的引水隧洞，开挖断面直径为 5.5m 马蹄型，断面积为23.9m2；施工支洞总长 2299m，开挖断面为 56m2城门洞型，断面积为 27.9m2
3、，调压井总高 193.3m，分上室、上井筒、下井筒，井筒开挖断面直径为 4.56.5m 圆形断面，断面积为 15.933.2m2；压力管道总长为 1214m，开挖直径为 4.7m 马蹄型断面,断面积为 19m2;尾水洞总长 527m，为 5.56m 的城门型开挖断面,断面积为 31.9m2；275m 长的交通洞（地下洞室开挖总长计 13.1km） ，53m 高的半地下式厂房，37m 深的尾水闸井，其中地下隧洞类以上围岩总长约 7.9km，占地下洞室总长的%，、类围岩总长约为 5.2km，不良地址段占%。1.3 地下洞室施工的地质情况洞内地质情况：岩石主要以泥岩、泥质板岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩
4、、石英砂岩、砂砾岩等为主，断层、破碎带、岩溶段、浅埋深段等一系列不良地质贯穿整个隧洞，节理、裂隙、褶曲发育，局部岩体破碎、风化较强、构造挤压严重。2 地下洞室施工过程、主要施工方法及支护参数2.1 施工时段本工程地下洞室开挖从 2008 年 12 月 1、2#施工支洞开始进洞掘进，到 2011 年 6 月23 号 3#、4#主洞最后贯通，标志着整个隧洞施工从石方洞挖阶段转入到混凝土衬砌阶段，开挖历时总长约 31 个月。引水隧洞最长单头掘进距离 2.1km，最短单头掘进距离为0.8km。2.2 主要施工方法采用 5T 汽车改装成的作业平台车，YT28 手风钻钻孔，光面爆破；ZLC-40B/1.8
5、m3 的侧翻装载机和 LDWZ160A 挖斗裝渣机装渣，5T 自卸汽车运输，洞内每隔 200300m 设置一避车道，锚喷支护采用 YT-28 手风钻钻孔，JYB-2 锚杆注浆机注浆，SGP 喷射机喷混凝土。2.3 洞挖断面的主要支护形式及支护参数类围岩，20L=3m 水泥砂浆随机锚杆，挂 62525cm 钢筋网，喷 15cm 厚的 C25砼；类围岩，25L=3m（系统锚杆之间夹角 60。 ）M10 水泥砂浆系统锚杆，挂62525cm 钢筋网，喷 15cm 厚的 C25 砼；类围岩，25L=3m，M10 水泥砂浆系统锚杆，挂 62525cm 钢筋网，喷 15cm 厚的 C25 砼，16 号工字钢
6、随机支护；类围岩，25L=3m，M10 水泥砂浆系统锚杆，挂 62525cm 钢筋网，喷 15cm 厚的 C25 砼，采用16 号工字钢支护，间距 8001300mm；3 老挝南俄 5 地下洞室开挖过程中塌方的统计及危害3.1 施工过程中的塌方统计按照上述施工方法和施工支护形式和支护参数进行施工，但在施工过程仍然发生塌方，据统计：从本工程开工以来，本项目洞内开挖过程发生大塌方累计超过 11 次（每处处理塌方时间在 5 天以上） ，累计耽误时间达 145 天时间，涉及洞内冒顶、掌子面坍塌、已开挖支护的断面发生滑塌等；小型塌方次数达 27 次（影响时间在 2-5 天以内） ，主要表现为：掌子面顶部
7、未支护部位的顶部发生大面掉块、拱角滑塌等情况，累计耽误时间达 76 天。3.2 隧洞塌方的危害由于洞内在开挖过程中发生较多次的塌方，不仅延误工期，大幅度提高了工程费用，甚至出现较为严重的机械、材料及人员损失和伤害，同时可能由于对塌方处理不及时或妥当，还会给工程留下较为严重的质量隐患，尤其造成人员伤亡，在本工程尤为突出。4 洞内塌方原因分析4.1 发生塌方的主要原因根据资料统计，隧洞塌方主要分为洞挖掘进时的塌方和支护完成后的塌方。经过分析，发生塌方的主要因素主要是地质状况差和施工方面存在质量问题产生。详见下表：发生塌方的主要原因塌方因素 主要特征岩体结构及构造强风划带、强烈卸荷松弛带、节理裂隙发
8、育地带、断层破碎及其交汇带、极软弱岩层、围岩强度较小，塌方规模越大。接合面的不理组合围岩受构造或节理面切割，节理裂隙间又大多夹有数毫米至数公分的软弱夹层，具有滑感的矿物、构成不稳定的围岩岩块，在层状和块状结构中，由结构面不利组合形成的塌方占大多数。地质因素下水活动在断层裂隙发育及水敏性强度的软岩情况下，地下水因洞室开挖而汇集排泄，带走不稳定的松软物质，同时软化、泥化及膨胀作用减小结构面磨阻；地下水的活动恶化了围岩稳定性，促进了塌方的发生。围岩应力塌方实质是围岩应力不平衡的表现，洞室开挖后，周边应力重新分布，形成二次应力场，当围岩不能承受集中应力，且松弛变形自身不能控制时，即向洞内变形，造成失稳
9、破坏。对地质情况认识不清开挖掘进方法不当（全断面开挖、上下半洞开挖和单侧壁导坑开挖） ，进尺控制有可能不尽合理地质条件差的部位本应减小循环进尺却没有减小，继续按照好岩石进尺开挖，对潜在的不稳定围岩、采用深孔爆破、装药量过高，支护不及时，分块开挖跨度过大。未及时封闭 开挖完成后未及时进行封闭支护，暴露时间过长，导致岩石应力重新分布，造成新的塌方。支护质量存在问题施工质量存在缺陷，系统锚杆未按照设计要求的间距施工，锚入的角度也不合理，喷护质量没有满足设计标号，厚度也不满足设计要求，钢拱架支护的间距和锚固的质量没有按照围岩的实际情况进行及时分布等。施工方法不当洞内排水不及时洞内排水不及时，由于大部分
10、泥岩，泥质板岩等岩石，遇水软化，液化，这些因素是塌方形成的导火索。4.2 发生塌方的次要原因4.2.1 设计地质勘测不到位，地质不明设计图纸中的提供的地质条件、隧洞围岩类别等与实际施工时的地质条件差别太大；4.2.2 设计支护形式和支护参数不一定合理不符合工程实际情况，造成实际要求的支护形式和设计提供的支护参数出现出入，造成塌方。5 隧洞塌方应采取的措施5.1 思想重视从施工角度要高度重视，预防塌方的工作重点在工区和作业队，特别是施工现场的技术干部和现场管理人员，应重点做好预防工作，掌握一手资料，采取正确的预防措施，如施工方法、施工工艺、合理的支护参数等等，为及时快捷正确处理塌方，赢得时间。5
11、.2 严格按照“新奥法”进行设计并施工“新奥法”的基本思想：充分利用围岩的自承能力和开挖面的约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要的支护手段，及时对围岩进行支护，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控量测来指导地下工程的设计和施工；“新奥法”的特点：充分保护围岩，减少对围岩的扰动，充分发挥围岩的自承能力，尽快使支护结构闭合，加强检测。即少扰动、早喷锚、快封闭、勤测量。5.3 加大现场的监控力度、确保工程质量在开挖和支护形成矛盾时，一定要确保施工质量，尤其是拱架和开挖面的接触程度、锁脚锚杆和拱架基础的稳固情况，锚杆的锚固质量和喷护质量厚度等应是控制的重要对象；5.4 加强测量的监控工作
12、对已开挖成型的施工洞段，应加强日常监控量测工作，尤其属于塌方变形比较严重的地方，更是要予以重视。 5.5 加强现场施工人员培训及自身素质的提高全员树立安全节约的思想，加强自身业务能了的提高，为高效正确的指导工程施工打下坚实的基础。6 隧洞塌方的综合治理6.1 隧洞塌方的处理原则6.1.1 分析研究塌方发生的原因，查清塌方规模，类型及发展规律，如地质构造、地下水活动情况等；6.1.2 切记盲目清除塌方体，不要人为导致塌方扩大；6.1.3 有地下水活动的塌方，必须先治理地下水，再治理塌方。6.2 隧洞塌方处理方法隧洞塌方治理一般采用的常用方法见下表隧洞塌方处理的常用方法序号 处理方法 适应条件 主
13、要施工程序1 锚喷支护法 塌方规模小，未堵塞，塌方后围岩能够暂时稳定1、搭工作平台；2、清理岩石；3、喷一层混凝土封闭岩面；4、安设锚杆，挂网；5、喷混凝土2 木垛封顶法 塌方规模小，未堵塞1、在隧洞顶部开挖线外松渣上铺设底粱，2、在底梁上分层向上架木垛，3、用木板、柴捆封闭岩面。3 浇筑砼护顶 塌方规模小，未堵塞 1、平整松渣，2、封闭两侧，3、架设导管伸至塌方体空腔内，4、压入砼。4 钢架插板法 塌方堵塞工作面，小断面隧洞 1、靠工作面架设钢支架， 2、沿周边插入钢板或模板，3、出渣循环前进。5 超前小导管预注法 塌方堵塞工作面 1、靠工作面架设钢支架， 2、钻孔，3、打入小导管，4、注浆
14、。6 管棚或管棚加注浆法 塌方规模大，堵塞工作面，有地下水 1、准备工作，2、钻孔，3、注浆，4、检查7 深孔注浆 塌方规模大，堵塞工作面，有地下水，形成泥石流 1、止浆墙，2、钻孔，3、注浆，4、检查，5、拆除止浆墙，6、开挖。7 做好不良地质地段的施工预案，降低施工中可能出现的塌方频次地下工程施工中，各种不良的地质地段都可能发生，而不良的地质地段具有软弱破碎、承载力低、稳定性差、变形量大、遇水易崩塌等特点，施工时针对各种不良地质情况做好预案，降低可能出现的塌方频次，从源头上控制可能发生的塌方风险。常见的不良地段及采取的措施： 7.1 松散、软弱破碎带的施工预案在松散、软弱破碎带的岩体中开挖
15、隧洞,尽量减少对围岩的扰动，采取分部开挖、边开挖边支护或对岩体进行先加固再开挖等施工方法。7.1.1 分部开挖、边开挖边支护。采取短台阶法，预留核心土法。7.1.2 锚喷支护。根据围岩条件，确定开挖与支护的施工程序、支护参数、顺序与时机。7.1.3 超前支护。在隧洞顶部设超前支护进行加固，锚固长度应大于开挖循环进尺的二倍，间距一般 0.30.5m，倾角 80100 目前常采用超前锚杆、超前小导管管棚、自钻式锚杆超前支护。7.1.4 管棚或管棚加注浆。管棚材料为无缝钢管，管径一般为 42148mm，长度根据需要确定。管棚沿周边布置，间距为 0.30.4m,根据需要的加固厚度和管棚长度确定管棚角度
16、。若为了增加管棚刚度，可在管内放置钢筋并灌砂浆；若遇规模较大的破碎带并有地下水，可通过管棚注浆加固，将岩层胶结成整体,使管棚与围岩共同承担围岩压力并起堵水作用。钢管上每隔 3050cm 布置梅花形注浆孔。7.1.5 松散破碎岩体开挖。松散、破碎岩体经上述方法处理后，采取短进尺、弱爆破、早封闭、强支护的原则进行开挖，强调快挖、快支、快喷锚。每循环安 0.51.0m 左右掘进，并架设格栅（钢）支撑，打锚杆、挂网、喷混凝土，如此循环向前掘进。并通过施工监测，调整施工工序及支护参数。7.1.6 联合支护：采用钢支护、锚杆支护、挂网、喷混凝土联合支护。7.1.7 通过施工监测，及时调整施工工序及支护参数
17、，必要时进行混凝土衬砌。7.2 膨胀性围岩地段施工预案7.2.1 加强围岩防水排水引排地表隧洞影响范围内的积水，不能在该范围内修建水池；地下水集中疏导用管排出；施工用水严格控制，施工废水宜用管道排出，防止水管接头处的滴、漏、渗，不宜用水冲洗岩面，避免加大围岩含水量；注浆封闭地下水。7.2.2 宜采用短台阶分部开挖，密打眼、少装药、放小炮、快开挖、强支护、快封闭、紧衬砌，合理控制围岩的流塑变形。7.2.3 开挖后及时进行锚喷支护，封闭岩面，必要时架设格栅、钢架，形成联合支护体系，控制围岩变形。7.2.4 膨胀围岩开挖后，地板隆起、两侧变形。因此，全面施做锚喷支护的同时在底板设置锚杆。对变形量大的
18、地段，施作挂网喷混凝土时，在环向预留纵向槽，以适应围岩的变形。7.2.5 及时进行混凝土衬砌，封闭仰拱。7.3 透水、涌水防治措施引水洞埋置较深，隧洞均在地下水位线以下，其中 2#3#支洞之间的引水洞段埋置深度在 130350m 之间，地下水位线高于隧洞 5240m。隧洞开挖要认真研究工程水位资料，及时观察和掌握地下水活动情况，一般性渗、滴、流水，采取集中疏导，抽排措施。大的透水、涌水提前做好躲避工作，必要时启动安全生产应急救援预案。8 结束语老挝南俄 5 地下洞室开挖总长达 13.1km，开挖时段历时 3 年多，由于工程地质条件差，设计提供的资料不完整，加之在开挖过程认识不到位，致使在前期施工过程出现了多次塌方，给项目部在工期、材料、设备及人员伤亡都带来了巨大的损失。后此经项目部加大隧洞开挖的培训力度和现场指导强度，并按照不良地质地段的施工预案进行控制，在随后的开挖过程中，出现的塌方频次和塌方的强度都有所减弱，从而有力的指导了工程正常施工，为后期工程的顺利进展打下了坚实的基础。
