南水北調(diào)中線漕河段及隧洞塌方原因分析

吳 競

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 南水北調(diào)漕河段工程概況

漕河是大清河南系的一條支流，發(fā)源于易縣五回嶺，入白洋淀，河道全長110km，總流域面積800km2，交叉斷面以上流域面積588km2。漕河上游建有龍門水庫，控制流域面積470km2，馬連川河建有馬連川?。?）型水庫。

漕河與渡槽交叉斷面處，100年一遇設(shè)計洪峰流量4494m3/s，洪水位46.67m；300年一遇校核洪峰流量5885m3/s，洪水位47.07m。布置建筑物后，100年一遇設(shè)計洪水位47.03m，300年一遇校核洪水位47.48m。工程所在區(qū)域為暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，多年平均氣溫12.2 ℃，極端最高氣溫40.4 ℃，極端最低氣溫-23.4 ℃，最大風速18.0m/s，年均無霜凍期191d，多年平均降水量545mm。

漕河段是南水北調(diào)中線工程京石段應(yīng)急供水工程上的重要渠段，位于河北省滿城縣境內(nèi)，距滿城縣城10km，線路全長9319.7m，包括吳莊隧洞、土渠段、大樓西南溝排水涵洞、大樓西溝排水涵洞、漕河渡槽、漕河退水閘、石渠段和崗頭隧洞等工程。該渠段設(shè)計輸水流量125m3/s，加大流量150m3/s。地震基本烈度6°。

漕河段地處太行山東麓低山丘陵區(qū)，屬低山丘陵及丘陵河谷地貌。漕河在該區(qū)流向為南東，河谷總寬度3km，主河槽向左岸側(cè)向侵蝕，寬230m，河底高程42.1m，右岸發(fā)育一、二級階地，階面高程45.0～65.0m，二級階地上沖溝較發(fā)育。河谷兩側(cè)為基巖裸露的山體，左側(cè)最高峰海拔293.0m，右側(cè)最高峰海拔411.6m。

本區(qū)出露基巖為碳酸巖系，局部有火成巖脈侵入，河谷覆蓋有較深的第四系松散巖層。本區(qū)域地處三級構(gòu)造單元的太行山隆起東部邊緣。區(qū)域主要斷裂帶有：西側(cè)有紫荊關(guān)斷裂；東側(cè)有徐水斷裂，以北有北高倉斷裂。3條斷裂自第四紀以來沒有活動，屬穩(wěn)定區(qū)。

漕河段主要由吳莊隧洞、土渠段、左岸排水工程、漕河渡槽組成。

1.1 吳莊隧洞

1.1.1 進口段

隧洞進口段為土巖雙層結(jié)構(gòu)。覆蓋層上部為黃土狀壤土與黏土互層；下部碎石層，局部含壤土；基巖為燧石條帶白云巖。

洞身段圍巖為巖體單一結(jié)構(gòu)，巖性為薊縣系霧迷山組第三段 （Jxw3） 燧石條帶白云巖。洞身段長2207m，其中Ⅱ類圍巖長1813m，Ⅲ類圍巖段長354m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占總長度98%，工程地質(zhì)條件較好。

1.1.2 出口段

隧洞出口段地質(zhì)結(jié)構(gòu)與進口段基本相同，同樣為土巖雙層結(jié)構(gòu)。其覆蓋層較進口段厚。

1.2 土渠段及左岸排水建筑物

該段地層結(jié)構(gòu)為黏性土單一結(jié)構(gòu)，巖性以黃土狀壤土為主，夾少量黏土，局部含少量碎石。黃土狀壤土不具濕陷性。

1.3 漕河渡槽

漕河渡槽工程區(qū)域地形地質(zhì)條件較為復雜，本區(qū)按地貌類型劃分。

1.3.1 右岸階地段

地層上部為黃土狀壤土、碎石土，下部為基巖；覆蓋層表層巖性為黃土狀壤土，中部為微含碎石黏土，底部為微含碎石紅黏土； 基巖為燧石條帶白云巖，風化深度不一，存在溶隙、溶洞和斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造。本段黃土狀壤土具有輕微濕陷性。

1.3.2 河床及漫灘段

地層上部為較薄的砂壤土、卵（礫）石、碎石土，下部為基巖。從地質(zhì)資料看，基巖中規(guī)模不等的裂隙、夾泥層、斷層破碎帶、巖脈、溶洞和溶隙均有發(fā)現(xiàn)；區(qū)段內(nèi)，揭露有時代不明的煌斑巖脈，巖脈呈全風化、黃綠色土狀，強度極低。地質(zhì)條件十分復雜。

1.3.3 左岸邊段

山體為巖體單一結(jié)構(gòu)，巖性為燧石條帶白云巖，地表為弱風化巖，節(jié)理較發(fā)育。

1.3.4 石渠段

石渠段地層結(jié)構(gòu)為碎石土、基巖雙層結(jié)構(gòu)，地表為人工堆積碎石，基巖為燧石條帶白云巖。

1.3.5 崗頭隧洞

隧洞進口為土巖雙層結(jié)構(gòu)，地表為人工堆積碎石，基巖為燧石條帶白云巖。隧洞進口斷層較為發(fā)育，存在輝綠巖脈，地質(zhì)條件較差。

洞身段圍巖為巖體單一結(jié)構(gòu)，巖性為燧石條帶白云巖，呈弱風化～微風化。洞身段大部為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，其中Ⅱ 類圍巖1160m，Ⅲ類圍巖段長303m，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占總長度的89%，工程地質(zhì)條件較好。

隧洞出口為土巖雙層結(jié)構(gòu)，地表為黃土狀壤土，基巖為燧石條帶白云巖。

2 工程布置及建筑物

2.1 吳莊隧洞

吳莊隧洞由進口段、洞身段和出口段3部分組成，全長2373m，其中洞身段長2207m，隧洞采用雙洞線方案，進口分流角為30°，出口匯流角為25°，兩條隧洞軸線之間距離28.4m。洞身過水斷面采用圓拱直墻型斷面，設(shè)計底寬7.8m，高8.45m，洞內(nèi)設(shè)計水深5.08m。

隧洞襯砌型式為兩種，一種為鋼筋混凝土全斷面襯砌，適用于進出口段、四類圍巖段和斷層破碎帶段，混凝土襯砌厚度分別為70～80cm；另一種為錨噴支護加混凝土減糙襯砌，混凝土襯砌厚25cm。

2.2 土渠段

土渠段位于吳莊隧洞出口與漕河渡槽進口之間，總長2101.7m。渠道過水斷面為梯型，一級馬道寬5m，右側(cè)馬道鋪設(shè)凈寬4.0m的瀝青混凝土路面。在渠道兩岸開口線或渠堤坡角線外側(cè)，布置寬度為8m 的防護林帶。

2.3 左岸排水

2.3.1 大樓西南溝排水涵洞

大樓西南溝排水涵洞由進口段、涵洞洞身段、出口段組成，兼做交通洞。進口段長45m，出口段長45.5m，八字翼墻接圓弧導流墻與兩岸聯(lián)接。涵洞洞身段長112m，斷面采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，為無壓涵洞，洞頂為總干渠渠道。

2.3.2 大樓西溝排水涵洞

大樓西溝排水涵洞由進口段、洞身段、出口段組成。進口段長21.93m，出口段長35m。洞身段長105m，洞底為平坡。斷面采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，為無壓涵洞。

2.4 漕河渡槽

漕河渡槽由出口段、槽身段、出口段3部分組成，總長2300m。主要建筑物有渡槽的進出口漸變段、進出口檢修閘、渡槽槽身的落地矩型槽段和架空的槽身段，以及渡槽的擴大墩基礎(chǔ)和端承樁墩基礎(chǔ)。

2.4.1 進口段

進口漸變段長45m，采用鋼筋混凝土直線扭曲面結(jié)構(gòu)。進口檢修閘室段長10m，為底板分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.4.2 槽身段

槽身段包括進口連接段、落地矩型槽段、20m跨多側(cè)墻段、30m跨多側(cè)墻段和出口連接段5部分組成。

（1）進口連接段為閘室與渡槽槽身的過度段，長8.4m，采用3槽一聯(lián)結(jié)構(gòu)。

（2）落地矩型槽段長240m，槽段為3槽一聯(lián)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻頂設(shè)人行道板和拉桿，邊墻外側(cè)設(shè)側(cè)肋，肋間距2.4m。

（3） 樁號375+720.4～376+120.4，中心線為彎道段，20m跨和30m跨段均為槽身架空段，槽身為3槽一聯(lián)的多側(cè)墻多縱梁預應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為滿足預應(yīng)力鋼絞線布置要求，將縱墻底板以下斷面擴大成“馬蹄”狀，并在縱墻和底板連接處設(shè)有貼角。

2.4.3 出口段

出口檢修閘室為底板分離式，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.5 漕河退水閘

漕河退水閘位于漕河渡槽出口左岸邊，其作用是遇事故時將總干渠的水退至漕河。退水閘由上游連接段、閘室、退水渠、擴散段4部分組成，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2.6 石渠段

石渠段位于漕河渡槽出口與崗頭隧洞進口之間，總長745m。渠段斷面型式分為全挖方、左挖右填及左填右挖3種。渠道過水斷面型式為矩型，采用25cm厚的混凝土襯砌減糙及防滲。

2.7 崗頭隧洞

崗頭隧洞由進口段、洞身段和出口段3部分組成，全長1800m，其中洞身段長1650m，隧洞采用雙洞線布置。

洞身過水斷面采用圓拱直墻型斷面。隧洞襯砌型式為兩種，一種為鋼筋混凝土全斷面襯砌，適用于進出口段、Ⅳ類圍巖段和斷層破碎帶段，混凝土襯砌；另一種為錨噴支護加混凝土減糙襯砌。

3 出口段

3.1 崗頭隧洞出口段

崗頭隧洞出口洞臉巖石風化較嚴重，松散碎石較多，且有3條破碎帶發(fā)育。為保證邊坡穩(wěn)定，將原洞臉支護方案為掛網(wǎng)噴混凝土。

3.2 崗頭隧洞洞口段

3.2.1 洞口地質(zhì)情況

洞內(nèi)圍巖地質(zhì)條件較差，根據(jù)設(shè)計要求，洞口段開挖由原來的“A”型斷面改為“D”型斷面，洞內(nèi)開挖后在左壁揭露出一條規(guī)模較大的構(gòu)造裂隙帶，走向NE60°，傾向NW，傾角82°，進口分流墩地表揭露該裂隙帶寬5～6m，裂隙帶內(nèi)為紅黏土碎石，部分碎石表面有鈣膜，以紅黏土為主，該裂隙帶在隧洞左洞壁形成軟弱帶。該段發(fā)育兩組節(jié)理，相互成正交，延伸長度較大，節(jié)理面及巖層面均有泥膜或夾泥。

2005年10 月27 日在導洞擴挖成形時出現(xiàn)部分塌落，左側(cè)軟弱構(gòu)造裂隙帶片段，導洞左上頂部沿層面、節(jié)理面出現(xiàn)部分巖塊塌落，形成近20m3塌落，最大巖塊1.5m×0.8m×0.8m，巖塊層面及節(jié)理面均有泥膜。

4 隧洞塌方

4.1 塌方過程

2006年7 月2 日凌晨1∶10，崗頭隧洞進口右洞左側(cè)墻及左側(cè)頂拱部位洞口段發(fā)生塌方，巨大的側(cè)壓力導致已支護的鋼格柵拱架左側(cè)整體發(fā)生位移，拱架底腳最大位移1.5m。

7月7 日上午9：55，右拱角部位再次出現(xiàn)塌方，洞頂右側(cè)部分塊石及大量泥塊脫落，將洞口拱架壓掉一榀，且塌落部位正內(nèi)部方向有一大塊石已與巖壁脫離，內(nèi)部夾有大量黃泥，隨時有脫落危險，此時已塌落至洞頂一級馬道部位，高程73.89m。

7月12 日下午17：10，此部位再次塌方，此次塌落范圍為最大一次。右拱角部位已延伸到二級馬道高程79.89m處，左側(cè)范圍延伸至分流墩中部，右側(cè)范圍延伸到洞頂中心線，左右跨度15m，上下跨度10m。洞口部位5榀鋼支撐從右拱角處直接被壓折，從揭露的巖石狀況來看，巖石基本從夾泥裂隙處塌落，裂隙中夾泥較為嚴重，正洞頂部位有幾塊較大危險懸石，隨時有塌落危險。

7月12 日晚，懸在洞頂部位的懸石塌落，并在左右方向再次出現(xiàn)塌落，此時二級馬道已全部塌落破壞，從現(xiàn)場情況看，塌落部位內(nèi)部仍有繼續(xù)塌落危險的懸石。有關(guān)塌方照片如圖1～圖4。

圖1 7月2日第1次塌方

圖2 7月7日第2次塌方

圖3 7月12日下午第3次塌方

圖4 7月12日晚第4次塌方

4.2 塌方原因

洞室開挖完成后，一直沒有經(jīng)過汛期或雨季，由于近日連續(xù)降雨，尤其是6月29日晚大暴雨，導致地下水量加大，地下水滲入洞口左側(cè)的斷層破碎帶，圍巖整體失穩(wěn)。由于洞室左側(cè)存在4～5m厚的夾泥層，鋼格柵拱架底腳無法坐落在堅硬的基巖上，降雨后底腳斷層夾泥軟化，抗側(cè)滑力強度降低，故在巨大的側(cè)壓力下，最終導致鋼格柵拱架的失穩(wěn)變形。

4.3 處理措施

為繼續(xù)探明洞內(nèi)圍巖情況，開挖采用4m×4m下導洞情況下，超前擴挖面4～6m前根據(jù)實際揭露的圍巖情況，采取了短進尺弱爆破及時支護的施工原則，每炮循環(huán)進尺為1.5m左右，開挖完成后，及時進行系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、格柵拱架支護等聯(lián)合支護手段，確保洞內(nèi)開挖安全，并順利完成了洞口段的開挖。

5 結(jié)語

論述了南水北調(diào)中線漕河段工程狀況，對該段工程地質(zhì)進行了論述，并對崗頭隧洞發(fā)生塌方進行了分析，對超擴挖面揭露的圍巖采取短進尺弱爆破等支護施工處理措施及施工方案。