冯家山灌区美水沟水库溢洪道隧洞土方开挖安全施工措施探讨

李建录

（宝鸡市渭滨区河道管理站 陕西 宝鸡 721006）

1 工程概况

冯家山灌区美水沟水库除险加固工程地处陕西省法门寺景区关环线北侧1.4km处。原水库于1971年所建，属于冯家山引水灌溉配套工程，坝体为梯形土坝，库容290万m3，平时用于蓄水灌溉，汛期及春冬灌溉结束后，用于存蓄余水，进行水量再分配。该水库坝顶轴线长98.7m，坝高47.6m，北干渠从坝顶穿过，原坝面迎水坡为干砌片石护坡，库区建有进水渠、放水洞、闸室、水库管理站等水工建筑物，坝面背水坡设有排水沟等设施。

美水沟水库除险加固工程分为十三个分部，主要有新建全长256m，其中隧洞段长193m的溢洪道，坝体上下游干砌片石护面，水库坝面排水沟、大坝放水渠、进水渠新建，坝体检查井、移位观察桩的施工等，总工期为8个月。

2 溢洪道隧洞的设计方案及施工现场基本情况

溢洪道从进口到出口由控制段、收缩段、隧洞段、挑流段、陡坡段、消能池六部分组成，隧洞段从平面布局上呈曲线走向，从桩号0+018隧洞进口至0+048隧洞土方开挖断面，宽4.5m，侧墙高度由2.9m～2.7m渐变，从侧墙顶至拱顶开挖高度设计为2.05m，从底板至拱顶垂直高度4.95m～4.75m。从0+048至洞出口0+211，开挖断面宽度均为4.5m，从底板至拱顶高4.75m，整个溢洪洞设计断面厚0.5m，用C30钢筋砼予以浇筑。

该溢洪洞位于坝体右肩，进口35m范围，原地面为水库管理站和北干渠，溢洪洞进口设计位置与管理站北外墙水平距离2.5m，落差13.5m，北干渠以南隧洞中轴线地表为台阶式梯田，隧洞拱顶离原地面最厚13.5m，最薄9.7m（北干渠底），隧洞施工区地质状况基本以黄土为主。

3 隧洞施工面临的困难

施工道路不畅。由于隧洞进口位于坝体右侧，水库管理站北围墙外侧，右岸紧靠水库进水渠，原地面地势高差大，属于陡坡地，施工场地狭小，大型机械无法进入现场，土料外运困难。现场地质条件差。土层经实际观察和化验，含水量大、粘结性差、垂直裂缝较多。按照设计图纸，隧洞进口位于管理站围墙外2.5m处，如果挖深13.5m，带1：0.6斜坡，开挖线离围墙不足0.3m，这对施工安全造成严重威胁。隧洞开挖断面大，对于高4.8m、宽4.5m地质状况差的土洞安全支护难度大。由于溢洪洞长193m，容易造成通风不畅威胁施工人员安全。洞内湿度大、工作面小，给施工用电带来了很大的困难。根据工程进度安排，隧洞施工主要集中在冬季和早春，低温天气容易造成路面结冰，给施工安全带来较大的影响。

4 安全施工措施的制定

考虑到工程的质量进度要求和施工现场的实际情况，美水沟水库溢洪洞土方开挖采用下述施工方案。

4.1 隧洞外安全施工措施

组织施工人员认真学习安全施工方面的知识，掌握安全操作专业技能，由实践经验丰富、工作认真、有安全员上岗证的同志担任安全员，工地上的施工人员必须戴安全帽，安全责任落实到人。在大坝右肩管理站北围墙外依据地势修建“S”形施工道路，路面宽4.5m，表面铺砂卵石用于防滑，在急转弯及陡坡边设立栏杆及警示标志，安装路灯。在隧洞进口土方开挖前，用钢架杆、安全网对围墙进行拉结固定，防止倒塌。在隧洞进出口土方开挖到地表下设计高程后，用钢架杆搭设防护棚，上面铺钢架板，四周挂安全网，防止崖上石块掉落发生危险。为改善通风条件，在地下隧洞开挖前，用全站仪准确测定隧洞拱顶中轴线位置，确定施工通气孔位置（沿隧洞中心线间隔25m），精确计算每个通气孔钻孔深度，以使施工人员按此深度钻直径为40cm的通气孔。考虑到洞内湿度大，在向洞内供电前，应对各种电气设备进行检查，洞下用绝缘性能好过流量大的电缆线，各种开关照明灯具要具有防潮、防水功能，由专业电工进行线路布设、设备安装，确保施工用电安全。

4.2 隧洞内安全施工措施

根据现场情况，从理论上可以采用下述四种施工方案。①采用大开挖施工。经过造价分析，工程费用增加很大，受现场地形限制，堆土场难以解决，施工工期较长。②采用直径为20cm以上的圆木搭设成门形支撑，纵向间距1.5m，相互拉结。这个方案在隧洞前15m施工中，因开挖断面大，木结构强度差，10月7日的一次塌方将其压垮，另外木立柱位于隧洞底板位置，对后面工序影响很大。③在开挖面打锚桩挂钢筋网片，喷细石砼加固。冬季气温低，混凝土凝固慢，且锚杆在土层中拉结力不强，喷涂工艺要求高，很难达到预期效果。④采用全断面钢支撑支护方案。在隧洞开挖之前先进行钢支撑、5cm厚木板、Φ48钢连杆等支护构件的加工准备。钢支撑采用[200×100×12槽钢，侧墙立柱钢支撑高度为2.9m～2.75m，拱顶钢支撑仍采用200×100×12槽钢，弯成半径2.25m的半圆。钢立柱与钢拱顶用高强螺栓连接，钢支撑之间用五根Φ48钢管纵向焊接连接。在钢拱架下弦及立柱底横向用两根Φ48钢管作临时支撑，增加其抗侧压力，防止钢支撑发生移位；在钢拱顶外围与隧洞土方开挖面之间铺排5cm厚木板，防止拱顶及两边侧墙崩塌，确保施工人员安全。这种支护方案有以下优点：安全可靠性高。因为是全断面支护能够确保施工安全。钢支撑安装位置在隧洞砼浇筑断面外不再进行二次拆除，虽然部分[200槽钢侵占了5cm厚混凝土保护层，但侧墙及拱顶砼浇筑后，这些钢支撑与设计配置钢筋形成了一个整体，可以加强原断面设计强度；便利施工。由于钢支撑设置在设计断面外，中间没有横撑立柱等构件，工作面大不会影响后期垫层、底板、侧墙等工艺；造价较低。这个方案与隧洞大开挖施工方案比较，从费用上要比大开挖节省781.9元/m，全隧洞193m长可以节省15万元，经济效果明显。

5 具体落实

美水沟水库除险加固工程溢洪道施工工程量大、工期紧，根据现场实际情况，采用从隧洞进出口两端同时进行施工作业。

首先用大型机械修筑临时施工道路，平整进出口工作面，对高崖上围墙进行加固，搭设进出口安全防护棚、挂安全网。考虑到溢洪洞断面尺寸大，人力挖运工效太低，采用C30装载机铲运与人工挖拱顶及修整侧墙相结合的方法进行施工，如果土层结实，没有裂隙，含水量小，一般挖进6m开始钢支撑支护；若地质情况复杂，土层含水量大有裂缝，掘进3m或1.5m就开始钢支撑加固。土方挖运完毕后，进行隧洞放线，确定中轴线及两边侧墙位置及拱顶是否达到设计要求。在具备钢支撑支护的条件下，清理隧洞底板到垫层标高下，左右弹出钢立柱位置线，纵向间距1.5m，立槽钢立柱。在两组钢立柱间，底、顶共焊四根Φ48纵向水平钢架杆，立柱脚之间用Φ48钢管横向顶撑。在立柱顶安装水平Φ48钢管横向临时撑。安装钢拱架，调整定位后，用高强螺栓连接，在拱顶两钢架之间焊接Φ48钢管。钢支撑安装完毕后检查其是否安装牢固，位置是否正确。在钢支撑外与外侧墙之间，从底到拱顶全断面满铺5cm厚木板，木板头与钢支撑用铁丝绑扎牢固。对钢支撑支护全面进行检查，没有问题，后续工作开始。

6 结语

从整个施工过程看，采用钢支撑全断面支护效果明显，在施工过程中，共发生十四次大小不等的洞顶、侧墙塌方，这种支护方法能够抵御垮塌带来的冲压力，钢支撑没有发生变形、移位。安装方便，因预先加工好的构件、拱架与立柱分离，重量相对较轻，便于人工安装就位提高了工效。另外钢支撑全断面支护是在设计断面外，不再二次拆除工作面大，为后续工作创造了良好的条件。因施工采用先挖后支、支后浇注的工序互不影响，保证了施工进度。陕西水利