劉安國(guó)

中國(guó)水利水電第八工程局有限公司

沐若水電站導(dǎo)流洞塌方設(shè)計(jì)處理技術(shù)

劉安國(guó)

中國(guó)水利水電第八工程局有限公司

由于前期地質(zhì)勘探不足，導(dǎo)致導(dǎo)流洞施工過(guò)程中出現(xiàn)塌方事故。通過(guò)方案對(duì)比，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，保證工程正常實(shí)施。本文通過(guò)研究對(duì)比導(dǎo)流洞設(shè)計(jì)方案，對(duì)類似工程項(xiàng)目具有一定的借鑒價(jià)值。

導(dǎo)流洞；塌方；設(shè)計(jì)處理技術(shù)；方案對(duì)比

1 工程概述

沐若水電站導(dǎo)流隧洞布置于左岸，由進(jìn)口明渠段、洞身段、出口消能段組成。進(jìn)口底板高程418m，出口底板高程394m。導(dǎo)流隧洞全長(zhǎng)810.4m，標(biāo)準(zhǔn)過(guò)水?dāng)嗝鏋樾眽ζ降遵R蹄型，斷面尺寸為10.0×15.9m。

2 工程方案研究

當(dāng)1#導(dǎo)流隧洞進(jìn)口上半洞施工至樁號(hào)K0+038左右，隧洞出現(xiàn)塌方，塌方寬度約3m，順掌子面向內(nèi)凹進(jìn)約3m至樁號(hào)K0+041左右。后來(lái)，塌方延伸至地表形成漏斗狀塌坑。地表“漏斗”左側(cè)原1#導(dǎo)流隧洞進(jìn)口上方變形體塌滑堆積物已將部分土體帶入洞中。

洞頂圍巖因塌方松弛，引起洞室穩(wěn)定性進(jìn)一步下降，若繼續(xù)按原施工方案進(jìn)行洞室掘進(jìn)，可能造成1#導(dǎo)流隧洞進(jìn)口左側(cè)上部高土石邊坡失穩(wěn)，給導(dǎo)流隧洞塌方處理和導(dǎo)流隧洞運(yùn)行帶來(lái)威脅，并可能危及洞內(nèi)人員及設(shè)備安全。

2.1 原因分析

（1）地質(zhì)因素。導(dǎo)流隧洞進(jìn)口直線段軸線埋深為6～32m，該段洞頂以強(qiáng)風(fēng)化巖石為主，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，塌方處存在一個(gè)小型揉皺，巖層經(jīng)過(guò)揉皺后較破碎，形成強(qiáng)烈深風(fēng)化區(qū)，強(qiáng)風(fēng)化區(qū)侵入導(dǎo)流隧洞上部斷面，巖體質(zhì)量分級(jí)為Ⅴ級(jí)，洞室穩(wěn)定性較差。

（2）施工因素?？紤]到進(jìn)口段圍巖自身承載力低及封堵期需承擔(dān)較高外水壓力的要求，進(jìn)口直線段樁號(hào)0+000.000～0+070.000采用襯砌厚度為2.0m全封閉鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工方在通過(guò)此段時(shí)采取上半洞進(jìn)洞、掛網(wǎng)噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼拱架及超前錨桿等初期支護(hù)與超前支護(hù)措施。但從地質(zhì)剖面分析，強(qiáng)烈深風(fēng)化區(qū)沿洞線方向長(zhǎng)約24.0m，在施工至0+038.000時(shí)，因超前錨桿長(zhǎng)度不足，一端未進(jìn)入較完整的巖石之中，因此超前支護(hù)未發(fā)揮應(yīng)有作用。在此情況下，加上開(kāi)挖進(jìn)尺過(guò)大、爆破震動(dòng)較強(qiáng)，引起洞頂塌方。

2.2 方案研究

塌方后，漏斗周邊圍巖出現(xiàn)較大范圍松弛，巖體自穩(wěn)能力下降，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)已變形、塌方及預(yù)計(jì)出現(xiàn)塌方的洞段進(jìn)行加固處理或另選地質(zhì)條件較好的地段重新布置導(dǎo)流隧洞或考慮在現(xiàn)有導(dǎo)流隧洞開(kāi)挖基礎(chǔ)上研究設(shè)置單洞的可能性，因此考慮以下三個(gè)方案：

（1）雙洞方案一。原地處理雙洞方案，對(duì)1#導(dǎo)流隧洞左側(cè)潛在高土石邊坡采用放坡開(kāi)挖，隨開(kāi)挖噴混凝土對(duì)坡面進(jìn)行保護(hù)。邊坡處理完成后，對(duì)上部塌陷區(qū)周邊變形體滑塌堆積體進(jìn)行清理，設(shè)置周邊排水截水溝，對(duì)地表塌坑進(jìn)行回填，減少對(duì)高邊坡坡腳擾動(dòng)；回填完成后，自地表對(duì)漏斗內(nèi)土體及漏斗松弛一定范圍內(nèi)巖土體采用灌漿加固處理，增加完整性及強(qiáng)度。地表加固完成后進(jìn)行洞內(nèi)塌方體處理，通過(guò)管棚、小導(dǎo)管超前注漿、預(yù)留核心土及時(shí)施做錨噴網(wǎng)+鋼拱架初期支護(hù)等措施，確保1＃導(dǎo)流隧洞安全通過(guò)塌方段。

（2）雙洞方案二。移線處理雙洞方案，考慮1＃導(dǎo)流隧洞上半洞進(jìn)洞且掘進(jìn)距離不長(zhǎng)，將1＃導(dǎo)流隧洞進(jìn)口移至現(xiàn)有1＃、2＃導(dǎo)流隧洞之間，導(dǎo)流隧洞洞身布置與2＃導(dǎo)流隧洞基本平行，通過(guò)增加上覆巖體厚度及遠(yuǎn)離已部分滑塌的高土石邊坡，增加洞室穩(wěn)定性。

（3）單洞方案。此方案利用已施工的2＃導(dǎo)流隧洞進(jìn)口和1＃導(dǎo)流隧洞出口，將隧洞斷面擴(kuò)大形成一條大洞，擴(kuò)挖時(shí)以導(dǎo)流隧洞已開(kāi)挖斷面為上半洞，向下進(jìn)行開(kāi)挖，以盡量減少其對(duì)截流、出口消能、下閘封堵及圍堰規(guī)模等的影響。

3 主要工程量及經(jīng)濟(jì)分析

3.1 主要工程量

主要工程量匯總見(jiàn)表1，其中各方案工程量表中部分考慮了2＃導(dǎo)流隧洞移線前導(dǎo)流隧洞進(jìn)口已發(fā)生的邊坡開(kāi)挖工程量，移線方案和單洞方案均考慮廢棄1＃導(dǎo)流隧洞所增加的開(kāi)挖及支護(hù)量。

表1 主要工程量匯總表

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)各方案工程量（表1），計(jì)算各處理方案導(dǎo)流隧洞工程總造價(jià)，并與原合同報(bào)價(jià)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表2及圖1。

圖1 各方案導(dǎo)流隧洞總造價(jià)與原合同報(bào)價(jià)對(duì)比圖

從造價(jià)表（表2）及對(duì)比圖（圖1）可以看出，處理方案中單洞方案導(dǎo)流隧洞工程投資最省，為1.15億RM，較原合同報(bào)價(jià)減少約400萬(wàn)RM，雙洞方案導(dǎo)流隧洞工程總造價(jià)均超過(guò)原合同報(bào)價(jià)，其中原地處理方案進(jìn)口邊坡及塌方處理為3178萬(wàn)RM，導(dǎo)流隧洞工程總造價(jià)達(dá)到1.6億RM，超過(guò)原合同報(bào)價(jià)35%，因此從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，采用單洞方案可確保對(duì)控制工程投資有利。

3.3 方案比較

導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)方案修改涉及圍堰規(guī)模、隧洞洞室施工運(yùn)行期安全、出口消能、進(jìn)出邊坡處理、施工難度、施工工期及工程經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面，以下從圍堰高度、導(dǎo)流隧洞出口消能、施工難度、施工工期及工程經(jīng)濟(jì)性五個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）圍堰高度。在相同設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下，雙洞方案遇全年30年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，圍堰堰前水位為445.0m，單洞方案考慮水庫(kù)部分調(diào)蓄作用，圍堰擋水水位為456.9m，單洞方案較雙洞方案圍堰高度增加約11.0m。

（2）導(dǎo)流隧洞出口消能。單洞方案導(dǎo)流隧洞總過(guò)水面積較雙洞方案的減小，因此在宣泄設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，導(dǎo)流隧洞出口單寬泄流量由150m3/s/m增加到220m3/s/m。根據(jù)雙洞方案水工模型試驗(yàn)成果，雙洞方案宣泄30年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，出口最大流速達(dá)到20.7m/s，但對(duì)單洞方案，隧洞宣泄5年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)其出口流速將達(dá)到雙洞30年一遇設(shè)計(jì)洪水流速；在設(shè)計(jì)工況30年一遇洪水時(shí)，單洞出口流速將超過(guò)20.7m/s，因此需對(duì)單洞方案導(dǎo)流隧洞出口消能形式及防沖保護(hù)范圍進(jìn)行水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，必要時(shí)調(diào)整出口消力池結(jié)構(gòu)。

（3）施工難度。管棚超前支護(hù)是中國(guó)國(guó)內(nèi)處理塌方最有效的手段之一，因此設(shè)計(jì)研究采用長(zhǎng)管棚原地穿越塌方段，但承包人在馬來(lái)西亞現(xiàn)有施工資源的基礎(chǔ)上，貫徹實(shí)施此方案可能具有一定難度。另外，在塌方處理之前需對(duì)導(dǎo)流隧洞進(jìn)出口高土石邊坡進(jìn)行處理，因土石方開(kāi)挖工程量大，在馬來(lái)西亞多雨氣候條件進(jìn)行邊坡處理，有效工作時(shí)間短，邊坡及時(shí)支護(hù)難度大。

移線方案因河床部位存在厚度約10～25.0m硬砂巖，水下爆破難度較大，也需對(duì)出口高土石邊坡進(jìn)行處理。

單洞方案進(jìn)口進(jìn)一步下挖，出口設(shè)置消力池，雖然一定程度上增加了導(dǎo)流隧洞進(jìn)、出口明渠干地施工的難度，但1＃、2＃導(dǎo)流隧洞已施工洞段基本將洞內(nèi)圍巖地質(zhì)條件探明，承包人可采取有針對(duì)性的施工措施確保施工安全。

從施工難度來(lái)講，原地處理雙洞方案難度最大，移線處理雙洞方案次之，單洞方案最小。

（4）施工工期。原地處理雙洞方案可利用2＃導(dǎo)流隧洞作為1＃導(dǎo)流隧洞施工支洞，工期取決于1＃導(dǎo)流隧洞塌方冒頂及進(jìn)出口高土石邊坡處理。移線處理雙洞方案需廢棄1＃導(dǎo)流隧洞進(jìn)口已施工洞段，洞線較原方案增加約70.0m，將一定程度延長(zhǎng)施工工期。盡管承包人已按雙洞方案安排施工，但單洞方案上半洞基本貫通，施工組織相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)施工方案及工期分析，承包人可對(duì)已制作鋼模臺(tái)車進(jìn)行改造，在做好施工準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，合理安排洞室開(kāi)挖和襯砌順序，可確保2009年12月底完成導(dǎo)流隧洞施工，為實(shí)現(xiàn)截流目標(biāo)爭(zhēng)取主動(dòng)。

（5）經(jīng)濟(jì)性。單洞方案混凝土及洞挖均小于雙洞方案，其中單洞較原地處理雙洞減少混凝土1.5萬(wàn)m3，洞挖減少3.4萬(wàn)m3，進(jìn)出口明挖減少5.14萬(wàn)m3，但單洞方案鋼筋用量較雙洞方案增加914t，明渠混凝土工程量較雙洞方案增加約2.5萬(wàn)m3。就工程造價(jià)而言，單洞方案導(dǎo)流隧洞總造價(jià)小于雙洞方案，且小于原合同報(bào)價(jià)，因此對(duì)控制工程投資最為有利。

4 結(jié)論及建議

上述三個(gè)處理方案在設(shè)計(jì)和施工方面均為可行方案，原地處理雙線方案對(duì)導(dǎo)流隧洞運(yùn)行、設(shè)計(jì)及導(dǎo)流工程總體設(shè)計(jì)影響最小，但進(jìn)、出口高土石邊坡及塌方處理工程量大、難度較高，存在一定的不確定性，可能會(huì)影響工程總體工期。在三個(gè)方案中該方案投資最大，為1.6億馬幣，超過(guò)原合同35%，合同投資控制難度較大。

移線處理雙洞方案基本維持原設(shè)計(jì)方案，洞線增加約70.0m，雖避開(kāi)了進(jìn)口高土石邊坡的處理，但仍需對(duì)出口高土石邊坡進(jìn)行處理，并需水下爆破拆除進(jìn)口巖坎，對(duì)工期有一定影響。該方案造價(jià)較原地處理雙洞方案為省，但導(dǎo)流隧洞工程造價(jià)仍超過(guò)原合同報(bào)價(jià)12%。

單洞方案由于避開(kāi)了進(jìn)、出口高土石邊坡處理，可集中力量進(jìn)行導(dǎo)流隧洞施工，施工組織相對(duì)簡(jiǎn)單。因?qū)Я魉矶瓷习攵椿矩炌?，地質(zhì)條件較為明確，施工方案及措施的針對(duì)性高。只要合理利用現(xiàn)有施工資源，精心制定施工方案并組織實(shí)施，可確保導(dǎo)流隧洞2009年具備通水條件，為階段性實(shí)現(xiàn)總工期提供保障。在經(jīng)濟(jì)性方面，單洞方案不僅造價(jià)最省，而且較原合同報(bào)價(jià)節(jié)省400萬(wàn)馬幣，對(duì)合同成本控制較為有利。

綜上所述，單洞方案具有技術(shù)上可行、工期上有保障、投資最省等優(yōu)點(diǎn)，因此宜采用單洞方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

在工程實(shí)施過(guò)程中，采用了單洞方案，工期和成本都得到了控制?，F(xiàn)已施工完畢，贏得了業(yè)主的高度贊揚(yáng)。本文通過(guò)對(duì)導(dǎo)流洞發(fā)生塌方事故后的后續(xù)處理研究，為今后的類似工程提供了一定的借鑒意義。

10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2017.12.199

劉安國(guó)，出生于1982年，2004年畢業(yè)于武漢大學(xué)，所學(xué)專業(yè)為土木工程，現(xiàn)就職于中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，工程師職稱，從事水利工程施工技術(shù)管理工作。