葛 暢,張文軍,褚洪臣

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán) 市場(chǎng)開發(fā)部,湖北 宜昌 443000;2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司,丹東 118216)

1 概 述

隨著我國(guó)水利水電行業(yè)的不斷發(fā)展,建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,巖錨工程在水電行業(yè)實(shí)踐中得到越來越廣泛地應(yīng)用,其各種結(jié)構(gòu)形式的預(yù)應(yīng)力錨索及其相關(guān)理論也日趨完善。但是,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念主要將重點(diǎn)部位放在錨固端上,而對(duì)反力結(jié)構(gòu)則基本沿襲了現(xiàn)有的鋼筋混凝土墩頭。傳統(tǒng)墩頭由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn),決定了其施工耗時(shí)耗工,在地下廠房施工中該問題尤為突出。

近年來,國(guó)內(nèi)大多數(shù)大型地下廠房其頂拱和側(cè)墻預(yù)應(yīng)力錨索加固全部采用臺(tái)錐型鋼筋混凝土錨墩。例如拉西瓦水電站主副廠房長(zhǎng)311.75 m,頂寬30 m,橋機(jī)軌道以下寬27.8 m,高73.84 m。僅廠房EL.2260.7～2228.7 m上、下游側(cè)邊墻就布置了6排預(yù)應(yīng)力錨索,其中1500 kN級(jí)錨索446束,鋼筋混凝土墩頭設(shè)計(jì)尺寸為0.8 m×0.8 m×0.4 m(長(zhǎng)×寬×高);2000 kN級(jí)錨索156束,鋼筋混凝土墩頭設(shè)計(jì)尺寸為1.1 m×1.1 m×0.5 m。由于廠房結(jié)構(gòu)上的要求,錨墩應(yīng)盡量少占用廠房空間,因此全部設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌式鋼筋混凝土錨墩結(jié)構(gòu)。主副廠房上、下游側(cè)邊墻開挖成型后,內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)錨索墩頭需對(duì)邊墻進(jìn)行二次開挖,其施工方法主要有鉆爆法和靜爆劑法等,但都存在一定弊端。

1.1 鉆爆法施工

錨墩坑槽開挖采用二次鉆孔爆破對(duì)圍巖破壞影響較大,嚴(yán)重影響圍巖穩(wěn)定性,無形增加了廠房實(shí)際跨度,尤其是在廠房高邊墻直接開孔鉆爆,極可能將周圍已趨于穩(wěn)定的圍巖荷載重新分布釋放,易造成片幫及冒頂?shù)仁鹿省?/p>

1.2 靜爆劑法施工

錨墩坑槽開挖若采用靜爆劑法施工,確實(shí)可以避免鉆爆法對(duì)圍巖整體性的影響,然而坑槽受造孔角度與水平方向夾角偏小會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)無法注滿靜爆劑及巖石級(jí)別強(qiáng)度過高,會(huì)大大降低靜爆劑效果等因素制約,靜爆劑法無法達(dá)到預(yù)期效果,加之靜爆劑灌注后養(yǎng)護(hù)工序繁瑣且時(shí)間較長(zhǎng)(＞48 h),耗費(fèi)大量時(shí)間、人工,無形增加了施工成本。

鑒于錨墩坑槽開挖所帶來的諸多施工弊端,在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)反力結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),采用輕型鋼墊板錨墩作為預(yù)應(yīng)力錨索的反力結(jié)構(gòu),具有大幅提高施工進(jìn)度、確保圍巖穩(wěn)定性、增加廠房整體美觀以及減少后期裝飾工程量等優(yōu)點(diǎn)。但輕型鋼墊板在拉西瓦地下廠房中首次應(yīng)用,其理論分析、計(jì)算應(yīng)與實(shí)際施工相結(jié)合,逐步調(diào)整其參數(shù),以達(dá)到最優(yōu)化結(jié)果。

2 輕型鋼墊板的尺寸確定

鋼墊板錨墩在受集中荷載后,采用普通簡(jiǎn)化模型對(duì)鋼墊板下部巖層極限抗壓能力進(jìn)行驗(yàn)算、分析,初步確定墊板模型截面尺寸,再利用有限元法及材料力學(xué)理論公式驗(yàn)算假定厚度值,推導(dǎo)出墊板厚度,最終結(jié)合生產(chǎn)、施工對(duì)鋼墊板的尺寸加以修正。

2.1 主要參數(shù)

根據(jù)拉西瓦電站地下廠房相關(guān)的設(shè)計(jì)資料,獲得如下計(jì)算參數(shù):

1)花崗巖的抗壓強(qiáng)度:60～100 MPa;

2)主要預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)荷載及相應(yīng)孔徑:1500 kN級(jí)錨索輕型鋼墊板孔徑φ 165 mm,2000 kN級(jí)錨索輕型鋼墊板孔徑φ 195 mm;

3)錨索張拉應(yīng)力范圍:30%σ＜σ≤115%σ;

4)鋼板彈性模量E取206 GPa;

6)輕型鋼墊板錨墩采用方形整體鋼結(jié)構(gòu)。

2.2 墊板邊長(zhǎng)計(jì)算

根據(jù)普通簡(jiǎn)化模型試算鋼板邊長(zhǎng),假設(shè)鋼板的厚度為t(cm),邊長(zhǎng)為L(zhǎng)(cm)。由于墊板下巖層應(yīng)力為不均勻分布,高應(yīng)力區(qū)主要集中在穿索孔周圍的小范圍內(nèi)。計(jì)算圍巖極限抗壓強(qiáng)度時(shí),應(yīng)考慮局部安全超高k1和錨索超張拉k2等安全系數(shù),故最小安全系數(shù) k(k1+k2…)按1.6～1.8取值,圍巖完整性好的取小值,反之取大值。

綜上述,1500 kN級(jí)和2000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索墊板截面尺寸計(jì)算如下:

據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)、施工的簡(jiǎn)易性和可操作性,1500 kN級(jí)錨索鋼墊板截面尺寸擬定為45 cm×45 cm,中部設(shè)置φ 165 mm穿索孔;2000 kN級(jí)錨索鋼墊板截面尺寸擬定為50 cm×50 cm,中部設(shè)置φ 195 mm穿索孔。

2.3 墊板厚度確定

1)鋼墊板錨墩在有限元應(yīng)用中歸結(jié)于彈性薄板問題,在受到垂直于墊板面的集中荷載后,墊板將產(chǎn)生彎曲,最大撓度ωmax理論產(chǎn)生在墊板穿索孔中心。利用有限元法[1]計(jì)算鋼墊板彎曲的收斂情況,計(jì)算網(wǎng)格見圖1(a),在集中荷載作用下,沿中線的撓度ω見圖1(b)。

圖1 集中荷載q作用下的正方形鋼墊板Fig.1 Under centralized load q function rofile steel backing strip

承受均布荷載P或中央集中荷載q的正方形鋼墊板,用有限元法求得的中心點(diǎn)撓度與精確解的比較見表1。

表1 正方形鋼墊板的中點(diǎn)撓度(矩形單元)Table1 Square steel backing strip's center point amount of deflection(Rectangular unit)

由于墊板高應(yīng)力主要集中在錨索穿索孔小范圍內(nèi),最大撓度 ωmaxD/QL2取集中荷載中心點(diǎn)0.0116。

a.假定1500 kN級(jí)錨索鋼墊板厚度為40 mm,最大集中荷載為 1.15Q,代入式 ωmaxD/QL2中,可得

即當(dāng)板厚40 mm時(shí),鋼墊板的最大撓度 ωmax為3.36 mm。

輕型鋼墊板錨墩墊板示意圖見圖2。

圖2 輕型鋼墊板錨墩墊板示意圖Fig.2 Anchor pole of light steel backing strip schematic drawing

則錨索墊板厚度由撓度公式計(jì)算如下:

a.1500 kN級(jí)錨索

故假定鋼墊板厚度滿足最大撓度形變。

上述計(jì)算公式用于近似計(jì)算。實(shí)際上,在鋼墊板上還要加工進(jìn)回漿孔、排氣孔等孔洞,所以要精確地進(jìn)行撓度計(jì)算實(shí)際上很困難。

此外,實(shí)際施工中應(yīng)考慮錨索施工存在超張拉、簡(jiǎn)化模型及其解析解由于假設(shè)條件多而誤差較大等因素,對(duì)墊板厚度取值加以補(bǔ)償,引入余量,安全系數(shù)擬定為2.0～2.2,實(shí)際系數(shù)根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果具體調(diào)整。故1500 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索錨墩墊板厚度取值按40 mm計(jì),2000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索錨墩墊板厚度取值按50 mm計(jì)。

3 輕型鋼墊板錨墩的試驗(yàn)與施工

根據(jù)計(jì)算的鋼墊板尺寸取值,在廠房上游邊墻分別進(jìn)行兩種級(jí)別鋼墊板錨墩生產(chǎn)性試驗(yàn)。首先,在孔口部位抹水泥砂漿找平,面層鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),再安裝鋼墊板待砂漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,進(jìn)行錨索張拉鎖定。

試驗(yàn)初期,單(整)束絞線張拉在孔口處易拉(斷)裂,施工中逐步發(fā)現(xiàn)問題多由水泥砂漿找平面不平整以及千斤頂張拉偏離等問題引起的。在鋼墊板錨墩代替原鋼筋混凝土錨墩方案中,由于錨墩中孔長(zhǎng)度較原方案急劇縮短,若絞線張拉與孔洞軸線方向偏離,即會(huì)使鋼墊板中孔段絞線彎矩呈冪數(shù)增長(zhǎng),從而導(dǎo)致孔口附近絞線斷裂。故錨墩孔口砂漿找平、千斤頂張拉[4-5]等施工環(huán)節(jié)要求十分嚴(yán)謹(jǐn),直接關(guān)系到錨索整體張拉和鎖定能否順利進(jìn)行。因此在實(shí)際施工中作如下改進(jìn):

3.1 砂漿找平

1)鋼墊板制安部位砂漿找平前,緊貼巖面鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)(50 mm×50 mm,絲徑φ(2.6～3.2)mm),四角展平后用土釘固定。

2)采用M10以上(含M10)硅酸鹽水泥拌制砂漿找平,視巖面平整度,砂漿找平層厚度一般為15～20 mm。

3)1～3 d后,待水泥砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%以上,再在砂漿面層鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng),四角展平固定。

3.2 錨索張拉

在孔口平整的前提下,錨索張拉出現(xiàn)絞線斷裂,一般在整體張拉過程中。常用的錨索張拉千斤頂如YCD120、YCD200型。張拉時(shí),彈性頂壓器的殼體把彈性元件緊壓在夾片上,由于彈性元件與夾片之間有彈性,鋼絞線能正常地拉出;張拉后無頂錨工序,利用鋼絞線內(nèi)縮將夾片帶進(jìn)錨固。這種做法雖然可使千斤頂?shù)臉?gòu)造簡(jiǎn)化、操作方便,但可能導(dǎo)致夾片受力不均勻、回縮損失較大,因此經(jīng)常發(fā)生絞線斷裂現(xiàn)象。鑒于此類千斤頂工作特點(diǎn),實(shí)際施工中采用YCQ型千斤頂,這類千斤頂不頂錨,采用限位板代替頂壓器,在鋼絞線張拉過程中限制工作錨夾片的外伸長(zhǎng)度,以保證在錨固時(shí)夾片有均勻一致和所期望的內(nèi)縮值。千斤頂工作示意圖見圖3。

圖3 千斤頂工作示意圖Fig.3 Hoisting jack work schematic drawing

經(jīng)上述施工技術(shù)改進(jìn),鋼墊板錨墩在錨索張拉或超張拉后,鋼墊板下的墊層水泥砂漿找平面平整光滑,且未出現(xiàn)裂紋。錨索張拉后測(cè)力計(jì)觀測(cè)記錄的數(shù)據(jù)絕大多數(shù)在規(guī)范允許范圍內(nèi),張拉鎖定后的測(cè)力值完全滿足設(shè)計(jì)要求,因此設(shè)計(jì)方案滿足施工要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

大型水電站地下廠房引水發(fā)電系統(tǒng)往往存在施工程序復(fù)雜、難度大、工期緊等工程特點(diǎn),開挖施工中采用常規(guī)鋼筋混凝土墩頭錨索施工干擾大、組織復(fù)雜、占直線工期長(zhǎng)。采用輕型鋼墊板錨墩錨索,大大優(yōu)化了施工,為地下洞室快速開挖支護(hù)創(chuàng)造了條件,保證了施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度,取得了良好的效果。但輕型鋼墊板錨墩錨索施工工藝還處于起步和逐步完善的階段,對(duì)于頂拱和斜墻等異型部位受力監(jiān)測(cè)結(jié)果并不理想,而且一次張拉成功率也不高,還需要進(jìn)一步論證、分析。

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