夹岩毕大供水工程王家坝输水隧洞支护措施分析

陈章淼，孟泽宇

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

0 引言

在我国西南地区，高山峡谷地貌较为常见，成为制约各项工程建设的因素。在铁路、水利等行业工程建设中，往往需要开挖隧道（洞）以节约工程建设里程，降低工程投资，同时，也可在一定程度上避开山区崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，对于工程安全具有十分重要的意义。然而，隧道（洞）的建设也是一个十分复杂的工程，需要考虑多方面因素，在西南地区，地质构造活动极为强烈，岩土体性质较差，隧道开挖后需要采用科学、合理的支护措施以保证隧道（洞）的稳定，保证工程的顺利进行。影响隧道（洞）安全的因素包括：地质、水文、洞形、支护方式等[1-2]。目前，隧道（洞）常用的支护措施包括：混凝土衬砌、锚固等措施，常见的洞形包括：马蹄形、圆形等[3-6]。在研究隧道（洞）通常采用数值模拟，可获取隧道（洞）的应力分布特征，为隧道（洞）提供参考[7-10]。

1 王家坝隧道概况

王家坝隧洞起点从高位水池至王家坝，全长19567 m，埋深30 m～480 m。隧洞主要穿越六冲河至白甫河分水岭地带，分水岭高程1900 m～2133 m。隧洞前段穿越唐房垭口分水岭之前，地形较为破碎，冲沟发育，其中隧洞在潘家岩脚冲沟和猴场冲沟之间形成的山脊穿行，切割深达300 m 以上；隧洞穿越唐房垭口之后，顺北东向平行于分水岭布置至王家坝。整个隧洞除隧洞出口位于永宁镇组灰岩外，几乎全在飞仙关组砂、泥岩中，为侵蚀中山地貌。王家坝隧洞整体位于马场向斜南东冀的单斜构造中，地层总体走向北东走向N30°～50°E，倾向NW，倾角10°～30°。隧洞洞身段需穿越区域性的朱昌断裂带。朱昌断裂带由F3主断裂和F3-2次生断裂共同组成，在东关一带，F3主断裂和F3-2次生断裂共同组成宽约0.6 km～0.8 km的断裂影响带，在断裂影响带内，岩体挤压特征明显，岩体破碎。隧洞线横穿六冲沟与白甫河分水岭地带，两则地表、地下水分别向各自最低浸蚀基准面径流，在分水岭地带T1f 砂、泥岩地带，地表、地下水以面流方式向溪沟汇流，径流至灰岩强岩溶地区，地表水转入地下，形成大小不一的地下暗河管道，南面有沿P2m灰岩分布的大坡暗河系统，北面有沿T1yn1灰岩分布的花厂暗河系统和滥坝暗河系统。王家坝隧洞除出口外，均位于T1f 砂、泥岩地层中，地下水主要为基岩裂隙水，地下水活动弱，但T1f 地层的灰岩夹层，位于T1f2与T1f1接触部位，厚约20 m，因其上、下均为弱透水层，岩溶发育异常发育，此外，在隧洞出口T1yn1灰岩与T1f2-4砂泥岩接触界面附近，受下伏T1f2-4砂泥岩隔水层的阻隔，地下水在此富集，隧洞遇岩溶洞穴的可能大。

2 引水隧洞支护措施

王家坝输水隧洞为无压引水隧洞，起点底板高程1473.000 m，起点水位1474.990 m，终点底板高程1465.173 m，坡降1/2500，走向NE47°49'8"、NE80°3'39"、NE57°29'33"，由于外水压力大基本在200 m 以上，根据工程经验，采用圆形隧洞，具有受力好的优势。引水隧洞设计洞径3 m，水深为1.92 m。引水隧洞穿越地层中，地下水位变化幅度较大，根据地下水位不同在顶拱、侧墙处采用厚度为400 mm～600 mm 的C25 钢筋混凝土衬砌。夹岩毕大供水工程隧洞建设总里程较长，为了保证供水效果，除特殊洞段外，隧洞底板厚度均采用500 mm 厚的C25 钢筋混凝土，隧洞回填灌浆范围为顶拱120°范围。

不同围岩等级隧洞采用不同的支护措施，详情如下：

1）Ⅲ类围岩洞段采用随机锚杆作临时支护，φ25 随机锚杆长3 m，上部180°范围内喷C20 混凝土，厚度6 cm；

对Ⅳ类围岩洞段采用系统锚杆挂网喷C20 混凝土作临时支护，喷C20 混凝土厚6 cm，φ25 系统锚杆间排距1.5 m，根长3.0 m，挂网钢筋φ8@200,考虑顶拱采用钢支撑（22 号轻轨），间距1.0 m；

2）对Ⅴ类围岩洞段采用钢支撑加系统锚杆挂网喷C20 混凝土作临时支护，钢支撑间距1 m，喷C20 混凝土厚10 cm，φ25系统锚杆间排距1.5 m，根长3.0 m，挂网钢筋φ8@250；对50%的洞段采用φ28 超前锚杆进行支护, 锚杆根长6 m，顶部120°范围设置，间距0.5 m；

3）F3断层位置外水压力为400 m 左右，此段施工安全威胁较大，因此，需要采用超前锚杆支护，并加密钢支撑、加厚混凝土衬砌厚度；

4）其余洞段根据实际情况采用随机锚杆+顶拱喷混凝土的临时支护方式。

3 支护效果分析

目前，在岩土工程分析评价中常用的数值模拟软件是Itasca 公司开发的FLAC3D 软件，在非线性变形研究中取得了较为丰硕的成果，且模型建立简单、计算效率高。以王家坝输水隧洞为地质原型，建立数值模拟模型。根据现场地质情况，王家坝输水隧道埋深在30 m～480 m 之间，且大部分隧洞埋深大于200 m，因此数值模拟模型隧洞（位于1.0 m～4.0 m 处）埋深为200 m，隧洞向下延伸50 m，隧洞左右延伸各200 m。通过数值模拟方法研究输水隧洞支护后的变形量，从而对其支护效果进行分析，数据模拟计算参数取值见表1，其中锚杆参数取值按照锚固材料参数选取，此处不再赘述。

表1 数值模拟计算参数

数值模拟选用最不利断面，即Ⅴ类围岩洞段。围岩岩性主要为灰岩和砂岩，岩体结构较为破碎。王家坝输水隧道位移变形云图见图1。

图1 位移变形云图

对加固前后A 点和B 点变形情况进行分析，见表2。由表2 可知，支护后，A点的水平方向位移量从17.3 mm减少至2.8 mm，B 点的竖向变形量由23.1 mm 减少至4.3 mm，加固后隧洞水平、竖向变形量均控制在允许范围内。

表2 变形量监测结果

根据数值模拟结果可知，采取相关治理措施可保障王家坝输水隧洞的稳定性。

4 结论

夹岩毕大供水工程建设具有十分重要意义，由于工程位于我国西南山区，属于构造活动较为强烈的区域，岩土体在多次构造活动影响下结构较为破碎，强度较低，若不采用相关支护措施，可发生较大规模的变形破坏，对输水效益造成影响。结合相关经验，采用有限元数值模拟方法分析，锚固支护在王家坝输水隧洞加固中的效益，由数值模拟结果可知，加固后王家坝隧道变形量得到了较好的控制，在施工过程中也需要严格按照相关技术要求，规范施工以保证工程的安全。