水电站引水隧洞软弱围岩段开挖中坍塌事故的支护对策研究

中图分类号：TV732.4

0 引言

水电站引水隧洞是水电枢纽工程的关键结构之一，其设计和施工技术是否科学，直接影响整个工程能否稳定运行以及能否获得可持续效益。特别是在软弱围岩段，由于地质构造复杂、岩体强度低、节理裂隙发育等特点，开挖作业极易诱发坍塌事故，不仅威胁施工安全，还可能造成巨大的经济损失和社会影响[1]。近年来，国内外学者针对隧洞开挖过程中的围岩稳定性问题进行了大量研究，提出了多种支护技术和方法，以期提高隧洞的抗坍塌能力[2]。

1 软弱围岩段坍塌事故成因分析

1.1 地质条件影响

软弱围岩地质条件里的岩体结构特征、岩性特征以及地应力状况等，是影响隧洞稳定性的关键要素。岩体结构复杂程度，像节理和裂隙的分布特征，对围岩完整性和力学性能起决定性作用。岩性具有薄弱的特点，像泥质岩、页岩等，在隧道开挖的时候容易让围岩出现形变和损毁。高地应力环境下，围岩承受的应力分布变得不均匀，进而引发更明显的应力集中效应，让发生塌方事故的可能性进一步提高。这些因素相互作用，共同影响着软弱围岩段的稳定性。

1.2 开挖方法与支护措施

开挖方法的选择对软弱围岩的稳定性具有重要影响。传统爆破开挖工艺在实施的时候，经常会引发明显的震动效应和冲击波，把周边岩体破坏了，让它的结构承载性能被削弱。采用机械式挖掘或者预裂爆破这些冲击性不高的施工手段，能够显著降低对围岩结构的破坏程度[3]。然而，现有的支护措施，如锚杆、喷射混凝土等，在面对极端地质条件时仍存在一定的局限性。

2 软弱围岩段坍塌事故影响因素

2.1 地应力分布特征

在水电站引水隧洞的软弱围岩区域进行开挖作业时，地应力的分布特性对围岩稳定的维持起着关键作用。地应力是地壳内部因多种因素作用而形成的应力状况，它强度和方向在空间上的分布特点，会极大影响隧洞施工后围岩的变形特性和破坏形式。强度低的软弱围岩在地应力变动时会有明显的响应特性。因其自身力学性能差，所以对地应力波动很敏感。当围岩承受的地应力超出它的结构承载极限，岩体稳定性就会被破坏，接着引发塌方灾害。

2.2 岩体力学性质

软弱围岩的力学特性包括强度、弹性模量以及泊松比等关键指标，这些参数能体现围岩抵御形变与破损的性能。在水电站引水隧洞施工阶段，围岩力学特性对隧洞整体稳定状况影响极大。应力集中要是因为开挖作用而超过围岩能承受的强度阈值，围岩就可能会出现失稳情况软弱围岩的弹性模量比较低，它抵抗变形的能力差，施工开挖时容易出现明显形变。此类形变会让隧道的几何形态和规格参数发生改变，还可能致使结构失稳。

2.3 地下水作用

地下水对软弱围岩稳定性影响很大，是其中一个关键因素。在开展水电站引水隧洞施工之际，地下水产生的影响特别关键。地下水主要通过渗流、弱化、润滑等方式影响围岩稳定。当地下水渗入围岩裂隙后，围岩承载能力会被削弱，进而更容易出现失稳破坏。为有效控制地下水对工程的影响，可以采取多种措施。在隧洞施工开始前，要先进行水文地质勘查工作，从而掌握地下水资源的空间分布和运移特征。在施工开挖阶段，要实施防渗处理办法，像安装止水屏障、进行压浆堵漏等工艺，能有效阻止地下水的渗入。

3 软弱围岩段坍塌事故支护对策

3.1 预应力锚杆支护

预应力锚杆的工作机制是预先施加拉力，让锚固件和周围岩体紧密贴合，构建起有预加应力的力学环境。在软弱围岩加固时，用预应力锚杆技术能大大提高隧洞周边区域的承载能力，有效减轻围岩内部的应力集中情况，进而降低潜在塌方的可能性。预应力锚杆用于工程实践的设计与施工时，得综合评估围岩地质状况、岩石性质以及地应力场分布等好多关键参数。要想充分发挥锚杆支护的效能，就得科学地配置它的长度、直径以及预应力参数。

3.2 喷射混凝土支护

喷射混凝土支护是软弱围岩开挖时常用的一种支护方式。这种支护方式施工效率高、适应能力好，还能和围岩紧密贴合，从而构建出稳定可靠的支撑结构。喷射混凝土的配合比设计以及施工方法，在很大程度上影响着它的支护效能。科学设计混凝土配合比，能有效保障材料力学性能和长期稳定性。在软弱围岩区域开展开挖作业之际，要全方位评估围岩的变形行为以及受力状况，从而优化喷射混凝土支护在工程里的应用。通过调整混凝土的强度和喷射厚度，可以适应不同围岩条件下的支护需求。

3.3 钢拱架支护

钢拱架支护在水电站引水隧洞软弱围岩段施工时，也起着关键作用。钢拱架是刚性支护体系的一种，能高效承担围岩压力，有效控制其形变和移动。在软弱围岩地质环境下，用钢拱架支护措施能大大提升隧洞结构的稳固程度和安全保障水平。钢拱架的选型和布设要综合考虑围岩地质状况、岩体性质以及地应力场分布等诸多因素。钢拱架布置要结合围岩变形特点和应力状况，合理调整间距和倾角，让支护效能达到最优。

4 结论

水电站引水隧洞软弱围岩段开挖时，坍塌事故威胁巨大。深入剖析了坍塌事故的成因，明确地质条件、开挖方法与支护措施等是关键影响因素，地应力分布、岩体力学性质及地下水作用等也影响重大。针对这些问题提出预应力锚杆、喷射混凝土、钢拱架等支护对策。科学运用这些方案，改进开挖工艺，强化施工管理，能有效降低塌方隐患，提高施工安全性，为水电站引水隧洞建设提供可靠保障。

参考文献：

[1] 杨鹏.某引水隧洞蚀变围岩变形机制及控制措施研究-硬梁包水电站2#引水隧洞 12+844～905 段蚀变围岩[D].四川省：成都理工大学，2021.

[2] 张开振.某隧洞蚀变围岩变形破坏机理与控制措施研究 ——硬梁包水电站 1#引水洞 K2+895～855 段蚀变围岩[D].四川省：成都理工大学，2021.

[3] 张传庆，张洋，周辉，等.深埋软硬共存隧洞变形特征分析及施工对策[J].地下空间与工程学报，2017,13(04):1040-1046.