王辉义
（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）
水工隧洞地质条件复杂，承受较大的水头压力，故其从规划选线、设计选型，再到具体施工方案，都较之普通的土木工程隧道更为复杂。水工隧洞在施工、运行过程中，衬砌结构除了承受围岩压力之外，还承受洞内静水压力和动水压力，工况多变，受力条件复杂，因此，水工隧洞建设对设计和施工都有更高要求。
水利水电工程具有投资大、条件复杂、影响大等特点，保证工程建设和运行安全尤为重要。水工隧洞一旦发生事故，都绝非单一原因，而是各种因素叠加所致。笔者列举了1981—2018年间发生的10起隧洞坍塌案例，其中国内案例4起，国外案例6起，并对每起隧洞事故的主要原因进行了分析，详见表1。
表1 水工隧洞坍塌案例Table 1 Tunnel failures
2.1 湖南省黄岑水电站隧洞
黄岑水电站引水隧洞由低压平洞、高压斜洞、压力钢管组成，隧洞周边地质条件较好，由于预压灌浆时施工质量没能保证，预应力没有形成，施工中虽进行灌浆补强处理，但仍未达到要求。隧洞建成后进行了两次检查，发现6条短细纵向裂缝和数条横向裂缝，无明显变形。1981年2月，隧洞坍塌并伴随雷鸣声和大量涌水。
事后建模计算分析，本次事故系施工质量没能保证，预应力未达到设计值，加之局部覆盖岩体薄弱，衬砌结构长期承受水压力产生蠕变裂缝，当岩体变形超过静力平衡条件后，洞顶被水压力击穿，突然坍塌。
2.2 湖南省岩屋潭水电站隧洞
岩屋潭水电站隧洞1978年投入运行后多次进洞检查，发现有不规则的纵向裂纹，后用玻璃纤维修补。1986年3月16日通水，次日伴随巨大轰鸣声，隧洞坍塌，洞顶混凝土衬砌被掀掉，最大一块混凝土100余m3，被冲出八九米远。
本次事故主要原因为衬砌养护不到位，后虽经玻璃纤维修补，但也不彻底、不及时，以致后来裂纹越积越多，大大降低了洞壁衬砌混凝土的强度和使用寿命，而出口段和弯管段软弱覆盖层较厚，正是隧洞薄弱环节。隧洞通水后，在水压力作用下，裂缝迅速扩张，衬砌结构力学性能大幅度削弱，水从薄弱环节喷出，造成了此次事故。
2.3 陕西省石砭峪水库工程隧洞
石砭峪水库位于陕西省秦岭北麓，西安市五台乡境内，大坝为定向爆破堆石坝，由于土石坝爆破烈度较大，使原有输水洞内多处破坏。1978年，石砭峪水库开凿了供水发电洞，但1991年5月放水时，隧洞出现了多处涌水点，1991年6月20日下午，隧洞突然发生大量漏水，且闸室内岩体发生明显变形，压力钢管后移，闸室表面水泥抹面出现数条拉裂缝。
通过工程地质勘察以及大量的岩石力学试验，研究人员认为，该隧洞中、下游段的围岩较薄，卸荷裂隙深度大，加之地下水位较高，断层和卸荷裂隙透水性强，这种工况下，这些区段洞室围岩需承受30~60 m的水头压力，超过了衬砌所能承受的极限荷载，围岩发生卸荷拉裂，导致了本次事故。
2.4 福建省雁石溪一级水电站1号隧洞
福建省雁石溪一级水电站为引水式水电站，装机容量6 000 kW，1号引水隧洞长1.8 km，为5 m×5.2 m蛋形断面。由于缺少大型机械设备，隧洞施工采用上、下断面分部并进开挖、先拱后墙衬砌的施工方式作业。1997年5—7月施工中，隧洞多点发生相继塌方，事后采用支护措施对其进行清理维修。
事后分析认为，系实际工况与计算模型不符所致。原设计中，隧洞断面按照蛋形无压隧洞一般做法，将拱座简化为弹性固定支座模型，按衬砌充分发挥设计强度且将岩体看作连续均质介质计算。而实际工程中，岩体破碎，大量夹泥充填，衬砌及拱座沿基础表面滑动摩擦系数较小，施工中对未达到设计强度的混凝土衬砌未采取有效的保护措施，因而实际工况不满足设计假定模型，导致本次事故的发生。
2.5 缅甸Dapein I水电站1号隧洞
DapeinⅠ水电站工程位于缅甸，为有压引水式电站，装机容量240 MW，主要建筑物由混凝土重力坝、有压引水隧洞、电站厂房等组成。引水隧洞共两条，1号隧洞总长3 299 m，2号隧洞总长3 342 m。
2009年4月，1号隧洞进口渐变段出现塌方冒顶，右岸公路路面以下形成了高约30 m的垂直临空面，对进水口的高边坡造成严重威胁，隧洞进水口下游侧产生裂缝，并且裂缝有发展扩大趋势。发现问题后，采用紧急临时喷锚支护防止事故扩大，而后又采用永久锚索支护对其进行加固处理。
DapeinⅠ水电站工程1号隧洞受地形、地质条件所限，隧洞进水口位于大坝右岸，紧邻山体冲沟，受冲沟切割影响，边坡岩体破碎，分布有大量的断裂带及节理面，致使地下水渗出严重，施工开挖过程中又未引起足够的重视，从而导致了这次隧洞进水口渐变段塌方冒顶事故。
2.6 苏格兰Glendoe工程隧洞
苏格兰的Glendoe水电项目位于尼斯湖的西南侧，装机容量100 MW，引水隧洞直径5 m，长8 km，采用TBM法施工，洞中压力水头为600 m，设计流量约19 m3/s。该项目完工运行8个月后，未衬砌段发生了局部坍塌。
经分析，该事故系运行管理不当所致，隧洞过水流量采用启停系统，按水库供水情况间歇运行，实际操作调整过快，洞内水压力变化剧烈，水锤来不及消散，故而导致了此次事故的发生。
2.7 巴拿马Rio Esti工程隧洞
Rio Esti水电站工程位于巴拿马奇里基省，电站装机容量120 MW，该引水发电隧洞直径10 m，长约5 km，设计水头112 m，设计过水流量118 m3/s。隧洞穿越水平层状的火山沉积岩层，地下水埋藏较深，该隧洞几乎全部采用喷射混凝土衬砌结构。电站运行9年后，在调压井附近位置发生了大规模坍塌，塌方量约为1.4万m3，隧洞几乎被完全堵塞。
Rio Esti引水隧洞失事主要是由洞壁火山沉积岩饱和引起，岩体饱和软化后，岩体强度降低，作用在喷射混凝土上的荷载增加，超过了混凝土衬砌的极限平衡，导致了本次事故的发生。事故发生后，隧洞重新开挖轮廓，并沿隧洞全长采用钢筋混凝土衬砌，本次修复历时23个月。
2.8 智利La Higuera工程隧洞
La Higuera工程是一个径流式水电站，装机容量155 MW，项目位于智利圣地亚哥市以南约150 km的山谷中，引水隧洞长16 km，从多个入口使用钻机+爆破的方法施工。隧洞坡度相对较缓，在大部分洞段采用了喷射混凝土衬砌，并在下游地质断层段采用锚杆、钢筋网和喷射混凝土结构。隧洞运行9个月后，洞身发生坍塌，坍塌量约1.2万m3。
事后分析，本次隧洞坍塌主要原因为地质问题，坍塌处正是风化较严重的薄弱地质构造带。隧洞维修工程包括兴建240 m长的旁通隧洞，本次处理历时21个月。
2.9 格鲁吉亚Shuakhevi工程隧洞
Shuakhevi水电站项目位于格鲁吉亚西南部，装机容量181 MW。隧洞2013年开始施工，2017年完工运行，运营约3个月后，在下游段主隧洞内发生了一系列坍塌和破坏，多处坍塌几乎完全堵塞隧洞。
格鲁吉亚的地质构造复杂，地层岩性混乱，地层包括高度扰动的玄武质安山岩、砾岩和火山碎屑砂岩等。本工程引水隧洞正好位于欧亚板块和非洲-阿拉伯板块之间，隧洞又穿越地质向斜的一部分，以至于蓄水运行后，在水压力的作用下，隧洞在地质薄弱处发生坍塌。事故发生后，采用了清理坍塌区、灌浆支护等方式进行维修，维修历时30个月。
2.1 0哥伦比亚Ituango工程3号导流隧洞
哥伦比亚Ituango水电站工程位于距麦德林市西北约170 km处的考卡河上，装机容量2 400 MW，挡水建筑物为225 m高的黏土心墙堆石坝。水工枢纽还包括一个地下厂房、8条引水隧洞和竖井、4条尾水隧洞和3个施工导流洞。
2018年5月雨季期间，考虑水库蓄水需要，1号和2号导流洞关闭，只留3号导流洞作业，此时唯一运行的3号导流洞入口附近出现了一个直径14 m的漏斗状坍塌，坍塌总方量约为12万m3。
塌陷区域上方的岩石覆盖小于10 m，小于隧洞直径，其坍塌原因为水库高水位运行使得导流洞内形成了50 m的压力水头，在隧洞支护上施加了额外的荷载。3号导流隧洞采用喷射混凝土衬砌，并配合常规岩石支撑，这是这些重要部位的常见做法，但该隧洞设计之初，并未考虑到雨季高水位运行时的额外荷载工况。
水工隧洞工况多变，施工运行条件复杂，洞壁一方面承受很大的洞内水头压力，一方面又要承受较大的外侧围岩压力，而计算模型的选取、施工工艺条件、地层岩性结构的不同，这些多变的条件对隧洞方案是很大的考验。
笔者梳理了10起水工隧洞坍塌事故，从事故细节可以发现，事故肇因复杂，主要可分为以下几点：（1）地质勘察成果代表性不足；
（2）设计计算模型选取不当；
（3）施工质量不满足设计要求；
（4）地层板块结构复杂、局部地形地貌、水文气象条件前期无法预测；
（5）事故萌芽期，技术人员未对其有足够的重视，致使施工处理方案不当，最终演变为隧洞坍塌事故，造成巨大损失；
（6）运行管理不当，开关闸门过快，水锤无法快速消散，巨大的冲击应力破坏隧洞。
隧洞作为一种复杂的水工建筑物，导致事故的往往并非单一原因，而是多种因素叠加。这就对工程技术人员提出了更高的要求，不但要严谨对待每一技术环节，更要着眼于项目的全过程，关注各环节之间的衔接，做好动态管理。每一起水工隧洞事故的损失都是巨大的，但同时也为今后同类工程提供了参考，希望技术人员能对这些失事案例加以重视，前事不忘，后事之师。
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