王家厂水库南涵隧洞施工的经验与教训

何银才

（澧县王家厂水库管理处 常德市 415506）

1 基本情况

1.1 工程概况

王家厂水库南涵工程由引水隧洞及电站建筑物组成，引水隧洞位于大坝南边山体中，由洞身及进、出口建筑物组成，招标时隧洞分为主洞和支洞，主洞为灌溉洞，长度416.805 m，支洞为发电洞，长度100.276 m，二洞交汇于主洞桩号0+247.076处，设计洞径均为3.2 m，流量30 m3/s，进口底板高程64 m，发电洞出口底板高程56.02 m。该工程于2003年12月招标，2004年1月动工，合同工期1年。

1.2 水文气象及地质

本区域属亚热带季风湿润气候区，气候温暖，雨量充沛，四季分明，多年平均气温16.4℃，多年平均年降水量1 280 mm，降水日数142 d，蒸发量1 245 mm。

本地区位于新华夏系构造第三隆起带，湘西北联合弧形构造之东端，地质构造以褶皱为主。

隧洞通过的山脊高程（101～115）m，沿线发育①～③号冲沟，隧洞从②号冲沟进入山体，穿过①号冲沟，于③号冲沟上游侧穿出。其中①号冲沟沟底高程（71～93）m，沟底宽（5～15）m；②号冲沟沟底高程（65～80）m，沟底宽（10～17）m；③号冲沟沟底高程（77～100）m，沟底宽（15～25）m。除进口基岩裸露外，其它地段均为第四系松散层覆盖，冲沟内覆盖深厚，山坡处较薄。基岩主要为下第三系紫红色中厚～厚层状砾岩。地层由老至新为：

（1） 下第三系（E1）。

紫红色中厚～厚层状砾岩，总厚度大于221 m，按岩性划分为E11和E12两岩组，其中E11岩组又细分为E11－1和E11－2两层：

E11－1：紫红色中厚层状砾岩夹紫红色薄层状泥质砂岩，厚度大于 38 m，砾岩中的砾石直径一般（2～10）mm，最大120 mm，成分以石英砂岩为主，其次为砂岩、灰岩，胶结物有泥质、钙质及少量铁质等，主要分布于①号冲沟以下地段，为隧洞围岩主要地层。

E11－2：紫红色厚层状砾岩夹紫红色粉砂岩透镜体，厚度96 m。 粉砂岩透镜体厚约（0.05～0.1）m，长约数米，主要分布于隧洞进口和出口。

E12：紫红色厚层状砾岩与紫红色砂岩互层，厚度87 m，主要出露在隧洞出口以下。

（2） 第四系（Q）。

Ⅰ级阶地冲积堆积（Q4al）：上部为黄褐色粉质粘土，厚（1.3～5）m。 下部为砂卵砾石层，厚（0.5～1.5）m。

河床及漫滩堆积：砂卵砾石，漫滩表部含黄褐色粉土，厚度（1～3）m，主要分布在南干渠及两岸。

残坡积堆积（Qedl）：红棕色含碎石、砾石粘土，厚度（1～15）m，主要分布在山坡及冲沟部位，其中①号冲沟分布最厚。

人工堆积（QS）：含碎块石、砾石粘土、粉质粘土，混凝土块等，主要分布在①号冲沟部位，厚度（3～5）m。

2 主要施工及处理经过

2.1 发电支洞第一次冒顶

为保证下游澧阳平原灌区春灌用水，2003年底库水位较高，发电支洞和灌溉主洞首先从隧洞尾部掘进。发电支洞于2004年3月18日进洞洞挖，4月5日上午7：00，在支洞掘进19.3 m时遭遇溶槽，掌子面突然涌出大量泥石流，并伴有巨大物体落地撞击声，6日已开挖洞段基本被泥土充填，掌子面形成高约15 m、宽约12 m、长约5 m、容积约900 m3的塌腔，塌腔内壁以土为主，零星夹杂大小不等的孤石，隧洞底部以下为泥浆，可见隧洞整体穿过溶洞，溶洞尺寸远大于洞身，为阻止进一步垮塌，业主同意先用钢管架进行临时支撑，再进行永久混凝土衬砌。具体方案是：在隧洞左右边开挖线外0.3 m平行洞轴线方向立二排钢管架，钢管架外侧用袋装砂卵石充填，由钢管架与砂袋共同组成侧向支撑，阻止二侧溶洞充填物向洞内滑移，洞底清基后浇0.5 m厚C20混凝土底板，防止底部泥浆冒出并保证二侧钢管架底部稳定，钢管架顶部用钢木组合结构支撑，并在钢木结构上覆盖一层1 m厚袋装土作为防冲层，防止顶部土石掉落击垮支撑。施工单位迅速组织力量进行抢险，由于天雨、洞内施工条件异常恶劣，施工单位在4月19日才基本处理完成。

不久，隧洞二侧钢管架因所受侧压力大，发生局部变形，4月21日，业主、监理、施工、设计单位人员召开会议，决定用型钢加固钢管架，两侧用12＃槽钢加固，间距 0.3 m，顶部用20＃工字钢，间距 0.3 m，焊接 45°斜撑增强钢架刚度，5月1日完成，施工单位随即着手准备永久衬砌。

从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时，塌腔顶部土体穿顶，地面形成面积为12 m2左右孔口，并迅速扩大，10时塌腔内一块重达数十吨的孤石掉落砸在钢支架上，钢支架失稳，进洞方向右侧钢架首先向洞内滑移，随即全部临时支撑全部变形，用钢支撑争取永久衬砌时间的方案宣告失败。5月9日业主组织施工、监理、设计、地质人员召开会议商议处理方案，考虑到已冒顶，决定拆除原有临时支撑，采用整体现浇钢筋混凝土进行支护。施工单位于5月25日下午4：30开始浇筑混凝土，26日上午9∶00浇筑完毕。28日,为防止孤石坠落砸伤混凝土，施工单位在混凝土上部覆盖1 m厚粘土作防护层，以后随混凝土硬化逐渐加厚土层，直至填满。支洞第一次临时支护处理完成。

2.2 主洞冒顶

主洞在掘进过程中多次遭遇溶槽，不同程度的塌方时有发生，但由于溶槽较小，未对施工造成大的影响。2004年5月29日，主洞在进洞53 m时遭遇大溶槽，下午5时左右泥石流从掌子面涌出，7时进洞查看，发现泥石流已流出掌子面25 m、均高2.5 m，主洞施工暂时停止，7月19日主洞冒顶，掌子面以上地面形成直径约19 m的大坑，泥石流流出隧洞后淹没整个洞口，并在洞口形成约500 m3的泥堆。由于不可抗力影响，监理部于8月5日下达停工令。

2.3 发电支洞再次冒顶

由于施工进度严重滞后，加上洞挖队伍力量不足，施工单位于2005年1月更换了洞挖队伍，新队伍1月3日进场，1月6日开始进洞施工。2005年2月14日上午10时，隧洞0+263桩号 （即从出口进洞47 m）掌子面失稳变形，12时开始有大孤石掉落，下午7时隧洞再次冒顶，塌坑位于防汛公路南侧，直径约4 m，深约2 m，施工单位随即采用防水布覆盖，在外围挖排水沟，阻止客水进入洞内造成更大垮塌，洞内对掌子面加固，隧洞周边采用管棚支护（具体方法见后），并减慢施工进度，这次冒顶没有造成大的损失。

2.4 地质补勘

在发电支洞第一次冒顶后，为避免下一步施工可能造成更大的损失，业主经请示上级主管部门同意，决定对隧洞地质进行补充勘察，地勘队伍于2004年6月6日进入施工现场，首先沿洞线采用电测深和高密度电法，完成色谱图、ρs等值线图，再根据所反映的异常区进行钻孔，用钻孔资料验证异常区的地质特性。本次共完成区域地质调查 10 组日、1∶500 平面地质测绘 0.15 km2、1∶500 剖面地质 0.8 km、钻孔 7 孔（编号 ZK31～ZK37）共 271 m、高密度电法240点、电测深6点、地下水位观测7次。

地勘单位于7月中旬完成地勘报告，对隧洞全线进行了详细地质评价，沿洞线发现5处溶蚀风化槽，槽宽（4～10）m，槽深一般大于20 m，槽内一般充填含砾石粘土或泥，偶尔见块石或孤石，隧洞围岩溶洞及节理裂隙发育，不稳定岩体范围较大，成洞条件差，并提出对部分特别洞段进行边掘进边衬砌、明挖埋管支护方案。

2.5 管棚法施工方案

在地勘完成后，业主委托设计单位对南涵工程进行补充设计，为减少施工难度本次取消了灌溉主洞尾部一段，在发电主钢管尾端另接灌溉管（即发电、灌溉二洞合并，称为灌溉发电洞）；调压井移位到发电隧洞出口地质较好地段改建调压塔；对不良地质洞段采用管棚法超前支护。

考虑到施工工期已严重滞后，为方便机械运输，加快施工进度，业主同意开挖时将圆洞改为城门洞型。管棚法具体实施方案是：顶部180°范围内采用Φ40钢管，单根长3 m，（有效长度2 m，搭接长度1 m），沿隧洞开挖外边线平行洞轴线打入掌子面，外插角5°左右，间距0.3 m；钢管用轻型钢轨支撑 （首先将轻轨按开挖尺寸弯成180°弧形），间距0.5 m，拱脚以下由于地基较软，采用轻轨垂直支撑，全断面挂网喷混凝土，底、侧现浇混凝土加固。

具体施工方法是：①顶部180°范围内打入钢管，再安装第一榀拱架，轻轨与钢管焊接，并保证与上一循环打入本工作面的钢管搭接良好，用锁脚锚杆固定拱架；②安装侧墙垂直轻轨，将轻轨沿侧墙开挖边线垂直打入地下（此时侧墙泥土还未开挖），顶端与拱脚进行焊接，用锁脚锚杆固定；③从隧洞拱部开始人工开挖，每挖0.5 m安装一榀拱架，下部每开挖0.5 m安装1对垂直轻轨，考虑到掌子面稳定性较差，开挖台阶尽量放缓。每前进（2～3）m（或1 m～2 m）便浇筑1仓底板和侧墙混凝土，挂网并喷混凝土。

3 造成多次冒顶的原因

（1）溶洞是主要原因。

王家厂地区以砾岩为主，溶蚀风化槽遍布，在隧洞掘进过程中，遭遇溶洞数十处，其中最大的溶蚀风化槽K1、K2、K3密集分布在隧洞出口附近，造成了隧洞掘进过程中多次冒顶，严重影响了工期，发电支洞与灌溉主洞的第一次冒顶主要是溶槽K3所造成的，该溶槽深度达数十米，洞线从中部穿过，充填物为稀泥，抗剪和地基承载能力低，在掘进过程中一旦进入溶槽，掌子面不具备自稳条件，应力快速释放，溶洞充填物在地下水压力作用下“喷”出，临时支护效果有限。

（2）雨水起到巨大推动作用。

2004年对王家厂水库南涵洞挖施工来说是一个极为不利的年份。一方面2003年是丰水年，年降雨量达1 530 mm，全年库水位较历年平均偏高，由于降雨及库内水体对南边山体的补给，土体含水丰富，溶槽充填物含水量大。另一方面2004年雨水多、强度大，特别是6、7两个月降雨731 mm，接近历年同期平均值的2倍，为多年平均年降雨总量的56%，6月份最大一日暴雨206 mm，最大三日暴雨224.5 mm，7月份最大一日降雨为119.5 mm，最大三日降雨为151 mm，全年最大30日暴雨为513.5 mm（附表）。

附表 2004王家厂水文站时段降雨统计表

大雨对隧洞冒顶起到了巨大推动作用，发电支洞5月3日第一次冒顶前2天降雨60 mm；主洞7月19日冒顶前的7月8～18日累计降雨241 mm，其中仅17日一天就达119.5 mm。

如果没有暴雨的作用，在隧洞内完成临时支撑后紧接着完成永久衬砌，冒顶所带来的损失即可避免。

（3）人、材、机也是重要因素。

隧洞掘进施工是一个风险比较高的工作，人、材、机的因素相当重要，有经验的施工队伍、有经验的项目管理人员、有满足施工、抢险要求的设备和器材是决胜是重要因素。在本隧洞掘进施工前段，由于受资金、人力、材料、机械等条件制约，严重影响了施工进度，也造成了抢险被动和一定经济损失，后来，施工单位更换了洞挖队伍，工程进度有较大提高，施工单位效益也有所提升。

4 经验与教训

历时2年打通一条长度仅310 m的隧洞，对参建各方来说都不是一个轻松的话题，教训相当深刻。

（1）地勘费用不能省。

在2004年6月地质补勘前，本工程地勘工作主要分二段，第一次是1988年王家厂水库加固初步设计地勘；第二次是2000年2月南涵工程的技施设计阶段的地勘。2003年10月，在水利厅组织专家对王家厂水库引水发电工程技施设计报告进行审查时，有专家针对王家厂地区地质特点，提出有进一步详细地勘的必要，由于整个工程投资严重不足（当时到位资金仅2 270万元，不到预算总额的50%），这一事情没有进行，给以后的工作带来被动。

（2）地质钻探对王家厂地区来说具有局限性。

由于王家厂地质条件特殊，地质突变频繁，溶洞发育，而地质钻探主要是对有限的点位进行探测，据此估计工程的地质情况，对线和面上情况只能依靠经验判断。在2004年补充地勘时，ZK32与 ZK35水平距离仅 14 m，ZK32钻孔深度42 m岩芯获得率为0，而ZK35钻孔深度38 m，岩芯获得率45.65%，ZK34与ZK35水平距离仅9 m，岩芯获得率也为0。在地质突变如此频繁的地层中，仅靠钻探资料推断地下地质情况是不够的，所以无论是1988年初设还是2000年技施设计阶段，采取地质钻探所揭示的地质资料代表性是有限的，难以据此判定围岩地质条件和溶槽分布情况，在补充地勘时，地勘单位首先采用了采用了高密度电法、电测深探测，再在色谱图、ρs等值线图所反映的异常区进行钻探，用钻孔资料验证异常区的地质特征，这种点线结合的方法能有效提高地质资料的准确性。

（3）管棚法施工效果明显。

管棚法对掌子面及壁周边扰动较少，施工灵活、简单，易于为施工人员掌握。通过王家厂南涵隧洞工程的实际运用，证明它是一个针对土夹石软弱地基经济、有效的施工方法。