某水电站地下洞室典型塌方
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摘要：玛伊纳水电站项目是中哈两国在非资源领域的第一个重大基础设施合作项目，也是上海合作组织银行联合体成立以来的第一个大型联合融资项目，该项目对于两国具有重大的政治和经济意义。本文根据实际开挖中典型洞室塌方情况，总结塌方的主要形态，对其机理进行分析，对后期洞室开挖中地质预报，不良地质段的处理提供依据具有一定的指导意义。
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1前言
玛依纳克水电站位于哈萨克斯坦共和国阿拉木图州拉依姆别克斯基区境内的伊梨河左岸一级支流恰伦河上，电站距阿拉木图市约260km，坝址位于恰伦河日雷萨依附近河弯，厂址位于阿克斗卡景观地起点附近恰伦河右岸，右岸有公路通过工程区，交通较为便利。
工程枢纽由粘土心墙堆石坝、引水发电系统和泄水建筑物组成，正常蓄水位高程1770m时，坝高约94m，库容2.38亿m3。采用右岸隧洞引水，洞线全长约9.2km，其中引水隧洞长4913m；压力管道长4318 m。设计水头495m，最大水头521m，压力管道承受的最大水头（含水击压力）为633m。，装机容量300MW（150MW*2）。
2008年4月，哈方将引水及发电厂房系统（进水口～厂房）的勘测设计、施工合同委托给中方完成，并于2008年4月9日，签定了中哈玛依纳水电站引水及发电厂房系统工程EPC总承包合同，由中水CWE、中地CGEO、中国成都院CHIDI联营体以EPC方式承包建设。
2工程地质概况
玛依纳水电站地下洞室有引水隧洞、调压井及压力管道组成。区段出露的地层主要为石炭系下统克特缅（C1t-v1kt）火山岩，岩性主要有层凝灰岩、不同成分的凝灰岩、斑岩、玢岩、凝灰角砾岩、粗面流纹岩和少量玄武岩等。压力管道末段有奥陶系上统（γO3）花岗岩侵入，岩性复杂。剖面图详见图1、2。
地质条件有以下主要特点: (1)工区位于中天山地震带内地震基本烈度为Ⅸ度；(2)隧洞主要穿越火成岩区域，仅压力管道末端出露花岗岩，火山岩岩质坚硬；(3) 断裂构造发育。工区总体呈单斜构造，岩层总体似层面产状近EW/S∠20°～40°； （4）由于工区岩体普遭受强烈构造变动，岩体总体为缓倾，围岩稳定性问题主要由构造发育程度和结构面不利组合控制。
3 典型洞室垮塌及其机理分析
3.1倾向临空面的软过结构面引起垮塌
（管）3+940～（管）3+960m洞室围岩为石炭系下统克特缅组（C1t-v1kt）灰～灰绿色玄武岩。洞段于2009年6月21日出现垮塌，冒顶高度大于9m，洞段主要受到Fc2断层及fc35、36小断层切割，且由于断层倾向洞内侧，当隧洞开挖完成后形成临空面，造成侧顶拱失稳垮塌，洞段素描图见图3，垮塌断面图见图4，主要构造描述见表2。这是较典型的沿软弱结构面发生垮塌，软弱结构面不仅是由于在结构面内存在着松软物质，而且强度低，变形大，成为岩体中物理力学性能很低的关键性部分。特别是当洞向与软弱结构面走向平行，并且结构面倾向临空面的情况下，极易沿结构面倾向发生失稳垮塌。
通过分析该垮塌案例，结合玛依纳地下洞室构造发育的特点，强化分析开挖揭示出来的软弱结构面形态以及与洞段位置关系，特别是案例中的情况时。在地质预报的过程别加强对出现该类型软弱面洞段预警预报。
图1 哈萨克玛依纳引水隧洞纵剖面图
图2 哈萨克玛依纳压力管道纵剖面图
围岩
类别 围岩地质特征 烘干
密度 湿抗压
强度 变形
模量 泊松比 岩体
抗剪断强度 普氏
系数 弹性
抗力系数 施工期支护类型
E0 μ tgφ’ C’ fk K0
哈方 中方 （g/cm3） （MPa） GPa / / MPa / MPa/cm
III II 岩性为微风化～新鲜的火山岩，岩体呈次块状结构，节理裂隙较发育，间距0.3～0.5m，结构面粗糙，少有充填，局部因裂隙不利组合可能产生不稳定块体。地下水活动轻微。岩体较完整，整体稳定，属基本稳定围岩。开挖过程中，局部可能出现一定规模的掉块或小型塌落。 2.8
施工开挖中需喷砼，局部增加随机锚杆，顶拱遇平缓裂隙需及时支护。
III 岩性为微风化～新鲜火山岩，节理裂隙较发育，间距0.1～0.3m，裂隙多闭合，裂面偶有轻微锈染。岩体嵌合度较紧密，以镶嵌结构为主，局部有小断层及挤压破碎带出露。有地下水活动轻微，以渗～滴水为主。总体完整性差，属局部稳定性差的围岩。开挖过程中，局部可能出现一定规模的掉块或小到中等塌落，以局部洞顶塌落为主。 2.6
施工开挖中需进行系统锚杆加钢筋网喷砼支护。
II+ IV1 岩性为微风化夹弱风化的火山岩，少见断层，构造以裂隙为主，呈密集带产出，裂隙多闭合，轻微锈染～新鲜，局部岩屑或泥充填，岩块块度多小于10cm，岩块嵌合紧密，岩体以碎裂结构为主。地下水活动较弱, 以渗～滴水为主。岩体较破碎，属不稳定围岩。开挖过程中，顶拱局部可能出现一定规模的掉块或塌落，边墙也可有失稳现象。 2.5
施工开挖中需加强系统锚杆加钢筋网喷砼支护。
II- IV2 岩性主要为弱风化弱卸荷火山岩和花岗岩、小断层发育岩体、断层影响带岩体，节理裂隙很发育，连续性较好，多数张开夹泥，呈块裂或碎裂结构。地下水活动较强烈, 以渗～滴水为主，见线状流水。岩体较破碎，属不稳定围岩，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。 2.4
施工开挖中必须及时进行系统锚杆加钢筋网喷砼支护，必要时局部进行钢拱架支护，原位监测变形较大部位还应进行二次支护。
I V 主要为强风化、强卸荷（局部深卸荷）火山岩和花岗岩、断层挤压破碎带，岩体呈碎裂或散体结构。地下水活动强烈，以线状流水为主，见涌水。岩体破碎，属极不稳定围岩，变形破坏严重，成洞条件差。 2.2
施工开挖中应支护紧跟与超前支护，原位监测变形较大部位还应进行二次支护。
说明：II、III类围岩，当其洞轴线与主要结构面（火山岩“似层面”、断层、软弱夹层等）的走向夹角小于30°时，围岩类别相应降低一级。
表1玛依纳水电站地下洞室围岩分类与物理力学参数建议值表
表2 压力管道（管）3+940～（管）3+960m段构造统计表
图3 （管）3+940～（管）3+960m洞段三壁素描图图4 垮塌后实测典型断面图
表3引水隧洞（隧）2+587～（隧）2+590m段构造统计表
图5（隧）2+590m垮塌前照片 图6 垮塌后实测典型断面
3.2顶拱结构面不利组合引起垮塌
（隧）2+587～（隧）2+590m洞室围岩为石炭系下统克特缅组（C1t-v1kt）灰紫色流纹斑岩。洞段于2009年11月16日出现垮塌，冒顶高度大于3m。洞段构造主要为2条断层即f1x-7、f1x-8及节理裂隙，构造发育特点为与洞向行，倾向相反，在顶拱形成楔形体，造成顶拱失稳。洞段掌子面照片见图4，垮塌断面图见图5，主要构造描述见表3。
此类失稳是玛依纳地下洞室较为典型的洞段垮塌、掉快形式，主要表现为裂隙或断层等主要结构面在顶拱形成“人”字型不利结构组合，即楔形体尺寸较隧洞跨度小，且尖棱朝上，又出露隧道顶部时，很不稳定。特别是当岩体块度大，楔形体自重大，岩块间粘聚力小于岩体自重时，极易发生垮塌。并且该类型的垮塌主要发育在顶拱，而侧墙岩体条件非常好，具有一定的迷惑性，在施工地质素描中，若发现存在可能在顶拱形成“人”字型组合的裂隙组时特别要重点关注洞段的顶拱。并且该类组合存在怕扰动的特点，常规的锚杆临时支护，在造孔的过程中容易发生塌落，所以施工中遇到该类型的结构组合时一般采用钢拱架等被动强支撑的方法通过。
图7 结构体在不同部位的稳定性
3.3缓倾似层面引起的顶拱片帮
由于工区地层似层面为近EW/S∠20°～40°，与地下洞室呈大角度相交,尤其是倾向洞外侧时，若遇到陡倾裂隙切割，在顶拱形成极不稳定块体，在施工中易发生高位片帮。受力分析如图7所示。
图8 顶拱塌落受力分析
此类破坏在玛依纳洞室开挖过程中占有一定的比重，不难看出当重力沿岩层倾向的分力F大于其所受到的摩擦力f的时候，就容易发生顶拱塌落，而f的大小取决于摩擦系数Φ，所以裂隙的张开度和填充物的性状及地下水对该类破坏影响程度较大，所以在地质编录的过程中遇到缓倾结构面发育的掌子面，重点查看结构面的性状，重点对掌子面上方围岩进行考察，提醒采取相应支护方案。
4 结 论
目前我国在建的隧洞（包括水工隧洞）公里数已经排名世界第一，保证隧洞开挖时的安全是地质工作者在施工地质中的主要工作。本文通过对玛依纳长引水隧洞及压力管道在开挖中的典型破坏方式进行总结分析，对保证开挖安全，支护形式的选择和施工工期起到了积极作用。
参考文献(References)：
【1】 成都勘测设计研究院 哈萨克斯坦玛依纳水电站主要建筑物工程设计报告 2008年
【2】 成都勘测设计研究院 哈萨克斯坦玛依纳水电站补充勘察报告 2009年
【3】 蒋爵光 隧道工程地质 1991年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。