王家廠水庫南涵隧洞施工的經(jīng)驗與教訓

何銀才

（澧縣王家廠水庫管理處 常德市 415506）

1 基本情況

1.1 工程概況

王家廠水庫南涵工程由引水隧洞及電站建筑物組成，引水隧洞位于大壩南邊山體中，由洞身及進、出口建筑物組成，招標時隧洞分為主洞和支洞，主洞為灌溉洞，長度416.805 m，支洞為發(fā)電洞，長度100.276 m，二洞交匯于主洞樁號0+247.076處，設(shè)計洞徑均為3.2 m，流量30 m3/s，進口底板高程64 m，發(fā)電洞出口底板高程56.02 m。該工程于2003年12月招標，2004年1月動工，合同工期1年。

1.2 水文氣象及地質(zhì)

本區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L濕潤氣候區(qū)，氣候溫暖，雨量充沛，四季分明，多年平均氣溫16.4℃，多年平均年降水量1 280 mm，降水日數(shù)142 d，蒸發(fā)量1 245 mm。

本地區(qū)位于新華夏系構(gòu)造第三隆起帶，湘西北聯(lián)合弧形構(gòu)造之東端，地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主。

隧洞通過的山脊高程（101～115）m，沿線發(fā)育①～③號沖溝，隧洞從②號沖溝進入山體，穿過①號沖溝，于③號沖溝上游側(cè)穿出。其中①號沖溝溝底高程（71～93）m，溝底寬（5～15）m；②號沖溝溝底高程（65～80）m，溝底寬（10～17）m；③號沖溝溝底高程（77～100）m，溝底寬（15～25）m。除進口基巖裸露外，其它地段均為第四系松散層覆蓋，沖溝內(nèi)覆蓋深厚，山坡處較薄。基巖主要為下第三系紫紅色中厚～厚層狀礫巖。地層由老至新為：

（1） 下第三系（E1）。

紫紅色中厚～厚層狀礫巖，總厚度大于221 m，按巖性劃分為E11和E12兩巖組，其中E11巖組又細分為E11－1和E11－2兩層：

E11－1：紫紅色中厚層狀礫巖夾紫紅色薄層狀泥質(zhì)砂巖，厚度大于 38 m，礫巖中的礫石直徑一般（2～10）mm，最大120 mm，成分以石英砂巖為主，其次為砂巖、灰?guī)r，膠結(jié)物有泥質(zhì)、鈣質(zhì)及少量鐵質(zhì)等，主要分布于①號沖溝以下地段，為隧洞圍巖主要地層。

E11－2：紫紅色厚層狀礫巖夾紫紅色粉砂巖透鏡體，厚度96 m。 粉砂巖透鏡體厚約（0.05～0.1）m，長約數(shù)米，主要分布于隧洞進口和出口。

E12：紫紅色厚層狀礫巖與紫紅色砂巖互層，厚度87 m，主要出露在隧洞出口以下。

（2） 第四系（Q）。

Ⅰ級階地沖積堆積（Q4al）：上部為黃褐色粉質(zhì)粘土，厚（1.3～5）m。 下部為砂卵礫石層，厚（0.5～1.5）m。

河床及漫灘堆積：砂卵礫石，漫灘表部含黃褐色粉土，厚度（1～3）m，主要分布在南干渠及兩岸。

殘坡積堆積（Qedl）：紅棕色含碎石、礫石粘土，厚度（1～15）m，主要分布在山坡及沖溝部位，其中①號沖溝分布最厚。

人工堆積（QS）：含碎塊石、礫石粘土、粉質(zhì)粘土，混凝土塊等，主要分布在①號沖溝部位，厚度（3～5）m。

2 主要施工及處理經(jīng)過

2.1 發(fā)電支洞第一次冒頂

為保證下游澧陽平原灌區(qū)春灌用水，2003年底庫水位較高，發(fā)電支洞和灌溉主洞首先從隧洞尾部掘進。發(fā)電支洞于2004年3月18日進洞洞挖，4月5日上午7：00，在支洞掘進19.3 m時遭遇溶槽，掌子面突然涌出大量泥石流，并伴有巨大物體落地撞擊聲，6日已開挖洞段基本被泥土充填，掌子面形成高約15 m、寬約12 m、長約5 m、容積約900 m3的塌腔，塌腔內(nèi)壁以土為主，零星夾雜大小不等的孤石，隧洞底部以下為泥漿，可見隧洞整體穿過溶洞，溶洞尺寸遠大于洞身，為阻止進一步垮塌，業(yè)主同意先用鋼管架進行臨時支撐，再進行永久混凝土襯砌。具體方案是：在隧洞左右邊開挖線外0.3 m平行洞軸線方向立二排鋼管架，鋼管架外側(cè)用袋裝砂卵石充填，由鋼管架與砂袋共同組成側(cè)向支撐，阻止二側(cè)溶洞充填物向洞內(nèi)滑移，洞底清基后澆0.5 m厚C20混凝土底板，防止底部泥漿冒出并保證二側(cè)鋼管架底部穩(wěn)定，鋼管架頂部用鋼木組合結(jié)構(gòu)支撐，并在鋼木結(jié)構(gòu)上覆蓋一層1 m厚袋裝土作為防沖層，防止頂部土石掉落擊垮支撐。施工單位迅速組織力量進行搶險，由于天雨、洞內(nèi)施工條件異常惡劣，施工單位在4月19日才基本處理完成。

不久，隧洞二側(cè)鋼管架因所受側(cè)壓力大，發(fā)生局部變形，4月21日，業(yè)主、監(jiān)理、施工、設(shè)計單位人員召開會議，決定用型鋼加固鋼管架，兩側(cè)用12＃槽鋼加固，間距 0.3 m，頂部用20＃工字鋼，間距 0.3 m，焊接 45°斜撐增強鋼架剛度，5月1日完成，施工單位隨即著手準備永久襯砌。

從5月1日起天降大雨，其中5月1日降雨15 mm，2日降雨45 mm，5月3日上午6時，塌腔頂部土體穿頂，地面形成面積為12 m2左右孔口，并迅速擴大，10時塌腔內(nèi)一塊重達數(shù)十噸的孤石掉落砸在鋼支架上，鋼支架失穩(wěn)，進洞方向右側(cè)鋼架首先向洞內(nèi)滑移，隨即全部臨時支撐全部變形，用鋼支撐爭取永久襯砌時間的方案宣告失敗。5月9日業(yè)主組織施工、監(jiān)理、設(shè)計、地質(zhì)人員召開會議商議處理方案，考慮到已冒頂，決定拆除原有臨時支撐，采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土進行支護。施工單位于5月25日下午4：30開始澆筑混凝土，26日上午9∶00澆筑完畢。28日,為防止孤石墜落砸傷混凝土，施工單位在混凝土上部覆蓋1 m厚粘土作防護層，以后隨混凝土硬化逐漸加厚土層，直至填滿。支洞第一次臨時支護處理完成。

2.2 主洞冒頂

主洞在掘進過程中多次遭遇溶槽，不同程度的塌方時有發(fā)生，但由于溶槽較小，未對施工造成大的影響。2004年5月29日，主洞在進洞53 m時遭遇大溶槽，下午5時左右泥石流從掌子面涌出，7時進洞查看，發(fā)現(xiàn)泥石流已流出掌子面25 m、均高2.5 m，主洞施工暫時停止，7月19日主洞冒頂，掌子面以上地面形成直徑約19 m的大坑，泥石流流出隧洞后淹沒整個洞口，并在洞口形成約500 m3的泥堆。由于不可抗力影響，監(jiān)理部于8月5日下達停工令。

2.3 發(fā)電支洞再次冒頂

由于施工進度嚴重滯后，加上洞挖隊伍力量不足，施工單位于2005年1月更換了洞挖隊伍，新隊伍1月3日進場，1月6日開始進洞施工。2005年2月14日上午10時，隧洞0+263樁號 （即從出口進洞47 m）掌子面失穩(wěn)變形，12時開始有大孤石掉落，下午7時隧洞再次冒頂，塌坑位于防汛公路南側(cè)，直徑約4 m，深約2 m，施工單位隨即采用防水布覆蓋，在外圍挖排水溝，阻止客水進入洞內(nèi)造成更大垮塌，洞內(nèi)對掌子面加固，隧洞周邊采用管棚支護（具體方法見后），并減慢施工進度，這次冒頂沒有造成大的損失。

2.4 地質(zhì)補勘

在發(fā)電支洞第一次冒頂后，為避免下一步施工可能造成更大的損失，業(yè)主經(jīng)請示上級主管部門同意，決定對隧洞地質(zhì)進行補充勘察，地勘隊伍于2004年6月6日進入施工現(xiàn)場，首先沿洞線采用電測深和高密度電法，完成色譜圖、ρs等值線圖，再根據(jù)所反映的異常區(qū)進行鉆孔，用鉆孔資料驗證異常區(qū)的地質(zhì)特性。本次共完成區(qū)域地質(zhì)調(diào)查 10 組日、1∶500 平面地質(zhì)測繪 0.15 km2、1∶500 剖面地質(zhì) 0.8 km、鉆孔 7 孔（編號 ZK31～ZK37）共 271 m、高密度電法240點、電測深6點、地下水位觀測7次。

地勘單位于7月中旬完成地勘報告，對隧洞全線進行了詳細地質(zhì)評價，沿洞線發(fā)現(xiàn)5處溶蝕風化槽，槽寬（4～10）m，槽深一般大于20 m，槽內(nèi)一般充填含礫石粘土或泥，偶爾見塊石或孤石，隧洞圍巖溶洞及節(jié)理裂隙發(fā)育，不穩(wěn)定巖體范圍較大，成洞條件差，并提出對部分特別洞段進行邊掘進邊襯砌、明挖埋管支護方案。

2.5 管棚法施工方案

在地勘完成后，業(yè)主委托設(shè)計單位對南涵工程進行補充設(shè)計，為減少施工難度本次取消了灌溉主洞尾部一段，在發(fā)電主鋼管尾端另接灌溉管（即發(fā)電、灌溉二洞合并，稱為灌溉發(fā)電洞）；調(diào)壓井移位到發(fā)電隧洞出口地質(zhì)較好地段改建調(diào)壓塔；對不良地質(zhì)洞段采用管棚法超前支護。

考慮到施工工期已嚴重滯后，為方便機械運輸，加快施工進度，業(yè)主同意開挖時將圓洞改為城門洞型。管棚法具體實施方案是：頂部180°范圍內(nèi)采用Φ40鋼管，單根長3 m，（有效長度2 m，搭接長度1 m），沿隧洞開挖外邊線平行洞軸線打入掌子面，外插角5°左右，間距0.3 m；鋼管用輕型鋼軌支撐 （首先將輕軌按開挖尺寸彎成180°弧形），間距0.5 m，拱腳以下由于地基較軟，采用輕軌垂直支撐，全斷面掛網(wǎng)噴混凝土，底、側(cè)現(xiàn)澆混凝土加固。

具體施工方法是：①頂部180°范圍內(nèi)打入鋼管，再安裝第一榀拱架，輕軌與鋼管焊接，并保證與上一循環(huán)打入本工作面的鋼管搭接良好，用鎖腳錨桿固定拱架；②安裝側(cè)墻垂直輕軌，將輕軌沿側(cè)墻開挖邊線垂直打入地下（此時側(cè)墻泥土還未開挖），頂端與拱腳進行焊接，用鎖腳錨桿固定；③從隧洞拱部開始人工開挖，每挖0.5 m安裝一榀拱架，下部每開挖0.5 m安裝1對垂直輕軌，考慮到掌子面穩(wěn)定性較差，開挖臺階盡量放緩。每前進（2～3）m（或1 m～2 m）便澆筑1倉底板和側(cè)墻混凝土，掛網(wǎng)并噴混凝土。

3 造成多次冒頂?shù)脑?/h2>

（1）溶洞是主要原因。

王家廠地區(qū)以礫巖為主，溶蝕風化槽遍布，在隧洞掘進過程中，遭遇溶洞數(shù)十處，其中最大的溶蝕風化槽K1、K2、K3密集分布在隧洞出口附近，造成了隧洞掘進過程中多次冒頂，嚴重影響了工期，發(fā)電支洞與灌溉主洞的第一次冒頂主要是溶槽K3所造成的，該溶槽深度達數(shù)十米，洞線從中部穿過，充填物為稀泥，抗剪和地基承載能力低，在掘進過程中一旦進入溶槽，掌子面不具備自穩(wěn)條件，應(yīng)力快速釋放，溶洞充填物在地下水壓力作用下“噴”出，臨時支護效果有限。

（2）雨水起到巨大推動作用。

2004年對王家廠水庫南涵洞挖施工來說是一個極為不利的年份。一方面2003年是豐水年，年降雨量達1 530 mm，全年庫水位較歷年平均偏高，由于降雨及庫內(nèi)水體對南邊山體的補給，土體含水豐富，溶槽充填物含水量大。另一方面2004年雨水多、強度大，特別是6、7兩個月降雨731 mm，接近歷年同期平均值的2倍，為多年平均年降雨總量的56%，6月份最大一日暴雨206 mm，最大三日暴雨224.5 mm，7月份最大一日降雨為119.5 mm，最大三日降雨為151 mm，全年最大30日暴雨為513.5 mm（附表）。

附表 2004王家廠水文站時段降雨統(tǒng)計表

大雨對隧洞冒頂起到了巨大推動作用，發(fā)電支洞5月3日第一次冒頂前2天降雨60 mm；主洞7月19日冒頂前的7月8～18日累計降雨241 mm，其中僅17日一天就達119.5 mm。

如果沒有暴雨的作用，在隧洞內(nèi)完成臨時支撐后緊接著完成永久襯砌，冒頂所帶來的損失即可避免。

（3）人、材、機也是重要因素。

隧洞掘進施工是一個風險比較高的工作，人、材、機的因素相當重要，有經(jīng)驗的施工隊伍、有經(jīng)驗的項目管理人員、有滿足施工、搶險要求的設(shè)備和器材是決勝是重要因素。在本隧洞掘進施工前段，由于受資金、人力、材料、機械等條件制約，嚴重影響了施工進度，也造成了搶險被動和一定經(jīng)濟損失，后來，施工單位更換了洞挖隊伍，工程進度有較大提高，施工單位效益也有所提升。

4 經(jīng)驗與教訓

歷時2年打通一條長度僅310 m的隧洞，對參建各方來說都不是一個輕松的話題，教訓相當深刻。

（1）地勘費用不能省。

在2004年6月地質(zhì)補勘前，本工程地勘工作主要分二段，第一次是1988年王家廠水庫加固初步設(shè)計地勘；第二次是2000年2月南涵工程的技施設(shè)計階段的地勘。2003年10月，在水利廳組織專家對王家廠水庫引水發(fā)電工程技施設(shè)計報告進行審查時，有專家針對王家廠地區(qū)地質(zhì)特點，提出有進一步詳細地勘的必要，由于整個工程投資嚴重不足（當時到位資金僅2 270萬元，不到預(yù)算總額的50%），這一事情沒有進行，給以后的工作帶來被動。

（2）地質(zhì)鉆探對王家廠地區(qū)來說具有局限性。

由于王家廠地質(zhì)條件特殊，地質(zhì)突變頻繁，溶洞發(fā)育，而地質(zhì)鉆探主要是對有限的點位進行探測，據(jù)此估計工程的地質(zhì)情況，對線和面上情況只能依靠經(jīng)驗判斷。在2004年補充地勘時，ZK32與 ZK35水平距離僅 14 m，ZK32鉆孔深度42 m巖芯獲得率為0，而ZK35鉆孔深度38 m，巖芯獲得率45.65%，ZK34與ZK35水平距離僅9 m，巖芯獲得率也為0。在地質(zhì)突變?nèi)绱祟l繁的地層中，僅靠鉆探資料推斷地下地質(zhì)情況是不夠的，所以無論是1988年初設(shè)還是2000年技施設(shè)計階段，采取地質(zhì)鉆探所揭示的地質(zhì)資料代表性是有限的，難以據(jù)此判定圍巖地質(zhì)條件和溶槽分布情況，在補充地勘時，地勘單位首先采用了采用了高密度電法、電測深探測，再在色譜圖、ρs等值線圖所反映的異常區(qū)進行鉆探，用鉆孔資料驗證異常區(qū)的地質(zhì)特征，這種點線結(jié)合的方法能有效提高地質(zhì)資料的準確性。

（3）管棚法施工效果明顯。

管棚法對掌子面及壁周邊擾動較少，施工靈活、簡單，易于為施工人員掌握。通過王家廠南涵隧洞工程的實際運用，證明它是一個針對土夾石軟弱地基經(jīng)濟、有效的施工方法。