某大型水利工程导流洞扩挖施工中大塌方原因分析

・１２・　露天采矿技术　２００８年第１期　某大型水利工程导流洞扩挖施工中大塌方原因分析　孙大伟・，金神民：　（１．三峡大学，湖北宜昌４４３００２；２，中煤国际工程集团沈阳设计研究院，辽宁沈阳１１００１５）　摘要：中国的许多大型水工隧洞在开挖过程中发生过大塌方事故。某大型水利中导洞开挖工程实行国　际招标后。承包商在１９９５年４月ｌ１日至５月１６日的上中导洞扩挖施工中接连发生８次塌方，其中塌方量　超过２　０００　ｍ　的大塌方共３处。文中分析总结了导流洞扩挖中大塌方发生的原因，其经验教训可供其它工程　参考。　关键词：上中导洞；扩挖：塌方；收敛监测　中图分类号：Ｔｖ　５５１．１　１　引　言　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—９８１６（２００８）Ｏ１—００１２—０４　８２　ｍ，１　、２　、３　导流洞长分别为１　０８７．８４　ｍ、１　０７９．３６　ｍ、　１　００２．５０ｍ。　水工隧洞施工过程的塌方会拖延隧洞工期，增　大工程量和工程投资，并使承包商和业主在经济上　蒙受重大损失［１］。国内一些大型水工隧洞在开挖过　程中发生过塌方事故，如天生桥一级、李家峡等工程　的导流隧洞，引大入秦、引黄入晋等跨流域调水工程　的输水隧洞，碧口等工程的泄洪隧洞等，都出现过几　百ｍ　以至几千ｍ，的塌方。　导流洞洞身采用台阶式开挖，共分为３个台阶　４个阶段进行开挖，即先打上中导洞，ｆ前期开挖），　次扩挖上半圆（Ｉ阶段），再次开挖腰线以下（ＩＩ、ＩＩＩ　阶段），最后开挖底部圆弧（Ｉｖ阶段），见图１。其中，　上中导洞开挖尺寸为上半圆以上中心线两侧各４ｍ，　即洞室高度为８．４５　ｍ，宽度为８　ｍ。　导洞　某大型枢纽工程中的导流洞的洞室断面较大，　布置在左岸单薄的山体中，洞室开挖的难度较大。由　于工程引进了世界银行贷款，按照世界银行的规定，　必须实行国际招标。泄洪工程（二标）标主为外国承　Ⅲ　，＼　Ⅲ　Ⅱ　包商承担。　｜　承包商在１９９５—０４—１　１至１９９５—０５—１６的初期施　工中，接连发生８次塌方，其中塌方量超过２　０００　ｍ　的大塌方共３处，施工进度受到严重影响，承包商借　图１导流洞分阶段开挖示意　机提出高额索赔要求。本文从各个方面的反馈信息，　总结分析了大塌方发生的原因。　２导流洞工程概况　上中导洞工程施工由国内工程局承担，于　１９９３一Ｏ１一Ｏ１开工。施工单位对不良地质洞段采取了　小进尺、光面爆破等一系列新奥法施工策略。设计、　科研单位对Ｆ２３６断层带等不良地质段进行了收敛、　顶拱下沉、锚杆应力计、多点位移计监测，确保了上　中导洞工程施工没有发生过大的塌方，至１９９４—０９—　０５全部完工。　该工程水利枢纽的泄洪洞、排沙洞、引水发电　洞、交通洞、排水洞、灌浆洞、施工洞、吊物井、通风竖　井、电缆井等１００多个洞室组成的洞室群全部布置　在左岸约１　ｋｍ：的单薄山体中。　在数量众多的地下隧洞当中，开挖难度最大的是　导流洞。导流洞位于北岸，３条导流洞为圆形断面，成　洞直径１６．９　ｍ平行布置，洞轴间距分别为６８　ｍ和　收稿日期：２００７—１０—０８　１９９４年底，工程实行国际招标。至１９９５年初向　承包商移交时，承包商对导流洞前期工程质量没有　任何异议。　承包商在１９９５—０４—１　１至１９９５—０５—１６的初期施　工中，接连发生８次塌方，其中塌方量超过２　０００　ｍ　作者简介：孙大伟（１９７１一），男，黑龙江省克东县人，博　士，主要从事岩土工程、水工结构计算分析。　的大塌方共３处，施工进度受到严重影响，承包商借　机提出高额索赔要求。　露天采矿毽查　２００８年　棚　３　维普资讯 http://www.cqvip.com

晌不明显。　３．２　维普资讯 http://www.cqvip.com

．１４．　露天采矿技术　２００８　ｇ－ｇ　１期重蚕目　在上中导洞施工期间，共安排４０个收敛观测断　流洞塌方的直接原因是扩挖爆破破坏或扰动中导洞　面，发布８次监测简报，有力的指导了上中导洞的安　全施工，及时调整了支护参数。　上中导洞施工监测报告中最后建议：“在地下工　的拱脚与未及时支护，没能形成完整的承载拱。这表　现在：　①其中开挖爆破进尺过大，装药量过大。业主聘　请的专家的数值计算结果，塌方洞段的爆破装药量　会直接引发大塌方发生。１９９６—１０—０９上午１０时，监　理现场调查中发现，在１　导流洞０＋３５０—０＋３６０洞　段，准备一次爆破进尺达到１５　ｒｎ以上，而该部位地　作全面施工后，应把安全监测放在重要位置，方方面　面都要重视，如果能和永久观测结合最好”。　５塌方情况　承包商在１９９５—０４—１１至１９９５—０５—１６的施工　中，接连发生８次塌方，其中塌方量超过２　０００　ｒｎ　的　质条件很差，四期开挖变形和变形速率都很大。在如　此之大的开挖荷载作用下，围岩的稳定状态肯定要　遭到破坏。鉴于施工单位１１时即将爆破的紧急情　大塌方共３处，其塌方的时间和部位见下表２。　表２　３处大塌方情况　洞别　桩号导洞开挖日期塌方日期间隔时间锚杆类型　／ｄ况，监理立即用电话向有关单位发出险情预报，要求　他们缩短爆破进尺，避免了可能出现的事故。以上情　况是在导流洞因３次大塌方发生１７个月后出现，　由此可以想象３次大塌方发生前承包商的开挖进尺　情况。　②爆破后支护不及时，措施不当。措施不当是指　扩挖时没有对中导洞顶拱进行保护和加固。扩挖的　施工方法，钻爆参数，支护程序，振动和变形量测应　塌方有如下规律：　该以保证整个导流洞的安全为前提。　例如，１　导流洞从桩号０＋６４０—０＋５７０之间的　①塌方都是在扩挖处发生的；②塌方都处于不　良地质带；③塌方处未采取特别加固措施以及采用　特别的施工方法；④扩挖部分的锚喷支护没有紧跟　开挖面；⑤扩挖部分的钢筋网没有与中导洞的支护　搭接起来；⑥塌方处，扩挖的光爆效果不明显；⑦塌　方发生时都是从中导洞的拱脚外侧的扩挖断面先开　始塌落，到一定程序后再向一侧或两扩展。　６塌方原因分析　边墙和顶拱，于１９９５—０５—１６出现塌方，造成隧洞开　挖停工６４　ｄ。承包商在塌方当日发出索赔通知。后经　工程师详细分析认定，塌方原因４０％属业主，６０％在　于承包商爆破后支护不及时，措施不当。　（３）不重视安全监测。承包商由于对这一工作经　验不足、重视不够，在扩挖中没有对导洞顶拱进行过　变形量测，特别对不良地质地段，也没有测量过扩挖　爆破对导洞支护的振动是否超过允许范围。因此，失　去了发现位移或振动超过临界值进而对导洞进行加　固处理的机会。　导游洞在扩挖中发生局部塌方，其原因主要有：　（１）地质条件不良。扩挖中遇到断层、破碎带、不　利的节理裂隙组合等不良地质条件，这是客观条件。　（２）扩挖爆破破坏或扰动与未及时支护。造成导　（４）业主在管理上责任不明。在向承包商移交工　（下转第５ｌ页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 墨区蚕重重圜　露天采矿技术　２００８－￣・期　・５１・　３　１２１３・机车的具体改造措施　４　１２１３・电力机车改可控硅斩波调速后的效果：　（１）主要技术指标：　（１）节省了大量的电能。由于起动、调速过程中　①电网工作电压：１５００＿＋　ｖ。　不会在电阻上消耗大量的电能，这部分电能可以节　②斩波器四相不重，单相频率１５０　Ｈｚ，总频率　省下来。但由于计算过程较复杂（实际情况与司机操　６００　Ｈｚ。　作，作业条件有关），只能进行估算。考虑到部分损耗　③控制方式：起动时３级降频定宽调频，然后定　等因素，理论上节电３０％，但实践证明节电可达３９％。　频调宽（ＰＷＭ），最大导通比检测后，封闭负脉冲，导　如：２００６年４月份，１２１３　斩波机车和１２０５　电阻机　通比为１，总共１９个速度级。　车同时在西露天矿古城子站（选煤厂机下）作业，１２１３　（２）主电路设计原则：　斩波机车耗电量１２　６９５　ｋ　（安装电表），１２０５电阻　①对于原机车合理部分尽量保留，以节省资金　机车耗电量２０９４７ｋ　（安装电表），节电量８２５２ｋＷｈ，　和劳动力。　节电３９．３％。　②原机车４台牵引电动机由原来的串、并联转换　（２）机车起动牵引力增大１２％，原来的电阻调速　机车需频繁切换造成牵引力损失，而斩波调速机车　方式改为固定并联：采用四相不重的斩波器线路，每　４ｏ个速度级均是经济运行级，不需要频繁切换，保　一相斩波器给一台牵引电机供电。这种方式使斩波　器的电流脉冲和牵引电机的电流脉冲一致，且电网电　证了足够的牵引力。　流脉冲频率是电机的４倍，滤波系统体积减小。同时，　（３）故障率低，大大降低检修费用。斩波调速机车　也使整个机车主电路变得十分简单：从受电弓　高速　把原电阻调速机车有触点电路改造成无触点电路，　开关　滤波器　牵引电机和斩波器系统并联　地。　取消了原来的电控接触器和电阻器，斩波调速机车增　加了高速断路器，高压电路保护，避免过负荷烧坏电　③机车的方向转换：从原来的改变电枢联接方　器。斩波调速机车故障率低，基本上实现了免维护。　式改为激磁绕组联接方式，为再生制动时磁场预励　（４）大大改善了牵引电机的工作条件，减少电机　磁作准备。　故障。电阻调速机车的牵引电机故障大多由于整流　④为了改善供电质量，在线路前边加设一个ＬＣ　时的换向不好引起火花过大，或过电压引起片间电压　滤波系统。斩波器导通时电网和滤波电容器向电机　过高造成飞弧、接地等故障。采用斩波调速后因为有　供电；斩波器关断时，电网经滤波电抗器向滤波电容　滤波系统和平波电抗器可吸收大量的过电压从而大　充电储存电能，这样就使得电网电流保持连续状态。　大改善了电机的工作条件。实践证明１２１３・机车上的　（３）斩波器的设计原则：　主电机工作１年多来，整流面积和其他部分状态良好。　①各部件参数要高度协调，并留有足够的储备量。　②高速开关把故障电流限制在牵引电机最大电　５结语　流的４倍以内，保证牵引电机不发生环火和可控硅　通过对１２１３・电力机车的可控硅斩波调速可以　元件不因过载电流过大而损坏。　看出大功率直流电力机车的节能潜力很大。随着电　③平波电抗器的电感一方面限制牵引电机电流　力电子技术的发展，新型的大功率电子元件的出现，　脉动在２５％以内，同时也要考虑限制其故障短路电流，　ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等为直流斩波调速带来了更多的应用条　所以采用空信式，其电感和电阻都较大，且不会饱和。　件和技术，因此斩波调速是直流牵引的发展方向。　（上接第１４页）作面时就应明确，是将一个包括上中　正是针对承包商在施工中存在的种种问题，业　导洞在内的导流洞工作面移交给承包商，移交时导　主于１９９５年７月底，聘请了施工安全监理。在监测　洞是稳定的，承包商应对导流洞的施工安全负全部　组的指导下，施工方排除各种险情隐患、保证施工安　责任，包括扩挖时导洞顶拱的安全，由于扩挖造成的　全、加快施工进度。此大型水利枢纽工程前期工作中　塌方应由承包商负责，绝不能将导洞顶部的安全责　正反两方面的经验教训说明施工中的安全监测极其　任从整个导流洞中划分出来归为前期工程。不然，必　重要。　然发生推托责任，造成扩挖时忽视对导洞顶拱的保　参考文献：　护和加固。　［１］张有天．洞建设的经验和教训（下）［Ｊ］．贵州水力发电．　２００２，（３）：７５—８４．　７结论