夾巖畢大供水工程王家壩輸水隧洞支護措施分析

陳章淼，孟澤宇

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

在我國西南地區，高山峽谷地貌較為常見，成為制約各項工程建設的因素。在鐵路、水利等行業工程建設中，往往需要開挖隧道（洞）以節約工程建設里程，降低工程投資，同時，也可在一定程度上避開山區崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，對于工程安全具有十分重要的意義。然而，隧道（洞）的建設也是一個十分復雜的工程，需要考慮多方面因素，在西南地區，地質構造活動極為強烈，巖土體性質較差，隧道開挖后需要采用科學、合理的支護措施以保證隧道（洞）的穩定，保證工程的順利進行。影響隧道（洞）安全的因素包括：地質、水文、洞形、支護方式等[1-2]。目前，隧道（洞）常用的支護措施包括：混凝土襯砌、錨固等措施，常見的洞形包括：馬蹄形、圓形等[3-6]。在研究隧道（洞）通常采用數值模擬，可獲取隧道（洞）的應力分布特征，為隧道（洞）提供參考[7-10]。

1 王家壩隧道概況

王家壩隧洞起點從高位水池至王家壩，全長19567 m，埋深30 m～480 m。隧洞主要穿越六沖河至白甫河分水嶺地帶，分水嶺高程1900 m～2133 m。隧洞前段穿越唐房埡口分水嶺之前，地形較為破碎，沖溝發育，其中隧洞在潘家巖腳沖溝和猴場沖溝之間形成的山脊穿行，切割深達300 m 以上；隧洞穿越唐房埡口之后，順北東向平行于分水嶺布置至王家壩。整個隧洞除隧洞出口位于永寧鎮組灰巖外，幾乎全在飛仙關組砂、泥巖中，為侵蝕中山地貌。王家壩隧洞整體位于馬場向斜南東冀的單斜構造中，地層總體走向北東走向N30°～50°E，傾向NW，傾角10°～30°。隧洞洞身段需穿越區域性的朱昌斷裂帶。朱昌斷裂帶由F3主斷裂和F3-2次生斷裂共同組成，在東關一帶，F3主斷裂和F3-2次生斷裂共同組成寬約0.6 km～0.8 km的斷裂影響帶，在斷裂影響帶內，巖體擠壓特征明顯，巖體破碎。隧洞線橫穿六沖溝與白甫河分水嶺地帶，兩則地表、地下水分別向各自最低浸蝕基準面徑流，在分水嶺地帶T1f 砂、泥巖地帶，地表、地下水以面流方式向溪溝匯流，徑流至灰巖強巖溶地區，地表水轉入地下，形成大小不一的地下暗河管道，南面有沿P2m灰巖分布的大坡暗河系統，北面有沿T1yn1灰巖分布的花廠暗河系統和濫壩暗河系統。王家壩隧洞除出口外，均位于T1f 砂、泥巖地層中，地下水主要為基巖裂隙水，地下水活動弱，但T1f 地層的灰巖夾層，位于T1f2與T1f1接觸部位，厚約20 m，因其上、下均為弱透水層，巖溶發育異常發育，此外，在隧洞出口T1yn1灰巖與T1f2-4砂泥巖接觸界面附近，受下伏T1f2-4砂泥巖隔水層的阻隔，地下水在此富集，隧洞遇巖溶洞穴的可能大。

2 引水隧洞支護措施

王家壩輸水隧洞為無壓引水隧洞，起點底板高程1473.000 m，起點水位1474.990 m，終點底板高程1465.173 m，坡降1/2500，走向NE47°49'8"、NE80°3'39"、NE57°29'33"，由于外水壓力大基本在200 m 以上，根據工程經驗，采用圓形隧洞，具有受力好的優勢。引水隧洞設計洞徑3 m，水深為1.92 m。引水隧洞穿越地層中，地下水位變化幅度較大，根據地下水位不同在頂拱、側墻處采用厚度為400 mm～600 mm 的C25 鋼筋混凝土襯砌。夾巖畢大供水工程隧洞建設總里程較長，為了保證供水效果，除特殊洞段外，隧洞底板厚度均采用500 mm 厚的C25 鋼筋混凝土，隧洞回填灌漿范圍為頂拱120°范圍。

不同圍巖等級隧洞采用不同的支護措施，詳情如下：

1）Ⅲ類圍巖洞段采用隨機錨桿作臨時支護，φ25 隨機錨桿長3 m，上部180°范圍內噴C20 混凝土，厚度6 cm；

對Ⅳ類圍巖洞段采用系統錨桿掛網噴C20 混凝土作臨時支護，噴C20 混凝土厚6 cm，φ25 系統錨桿間排距1.5 m，根長3.0 m，掛網鋼筋φ8@200,考慮頂拱采用鋼支撐（22 號輕軌），間距1.0 m；

2）對Ⅴ類圍巖洞段采用鋼支撐加系統錨桿掛網噴C20 混凝土作臨時支護，鋼支撐間距1 m，噴C20 混凝土厚10 cm，φ25系統錨桿間排距1.5 m，根長3.0 m，掛網鋼筋φ8@250；對50%的洞段采用φ28 超前錨桿進行支護, 錨桿根長6 m，頂部120°范圍設置，間距0.5 m；

3）F3斷層位置外水壓力為400 m 左右，此段施工安全威脅較大，因此，需要采用超前錨桿支護，并加密鋼支撐、加厚混凝土襯砌厚度；

4）其余洞段根據實際情況采用隨機錨桿+頂拱噴混凝土的臨時支護方式。

3 支護效果分析

目前，在巖土工程分析評價中常用的數值模擬軟件是Itasca 公司開發的FLAC3D 軟件，在非線性變形研究中取得了較為豐碩的成果，且模型建立簡單、計算效率高。以王家壩輸水隧洞為地質原型，建立數值模擬模型。根據現場地質情況，王家壩輸水隧道埋深在30 m～480 m 之間，且大部分隧洞埋深大于200 m，因此數值模擬模型隧洞（位于1.0 m～4.0 m 處）埋深為200 m，隧洞向下延伸50 m，隧洞左右延伸各200 m。通過數值模擬方法研究輸水隧洞支護后的變形量，從而對其支護效果進行分析，數據模擬計算參數取值見表1，其中錨桿參數取值按照錨固材料參數選取，此處不再贅述。

表1 數值模擬計算參數

數值模擬選用最不利斷面，即Ⅴ類圍巖洞段。圍巖巖性主要為灰巖和砂巖，巖體結構較為破碎。王家壩輸水隧道位移變形云圖見圖1。

圖1 位移變形云圖

對加固前后A 點和B 點變形情況進行分析，見表2。由表2 可知，支護后，A點的水平方向位移量從17.3 mm減少至2.8 mm，B 點的豎向變形量由23.1 mm 減少至4.3 mm，加固后隧洞水平、豎向變形量均控制在允許范圍內。

表2 變形量監測結果

根據數值模擬結果可知，采取相關治理措施可保障王家壩輸水隧洞的穩定性。

4 結論

夾巖畢大供水工程建設具有十分重要意義，由于工程位于我國西南山區，屬于構造活動較為強烈的區域，巖土體在多次構造活動影響下結構較為破碎，強度較低，若不采用相關支護措施，可發生較大規模的變形破壞，對輸水效益造成影響。結合相關經驗，采用有限元數值模擬方法分析，錨固支護在王家壩輸水隧洞加固中的效益，由數值模擬結果可知，加固后王家壩隧道變形量得到了較好的控制，在施工過程中也需要嚴格按照相關技術要求，規范施工以保證工程的安全。