龔少紅，王 波

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

巖壁吊車梁在20 世紀(jì)20 年代首先在挪威得到應(yīng)用，中國自1986 年從挪威引進(jìn)這種新型結(jié)構(gòu)以來，至今已經(jīng)有20多年的歷史，并成功應(yīng)用于多個水電工程。目前應(yīng)用巖壁吊車梁的已建和在建工程包括三峽、小浪底、瀑布溝、龍灘、錦屏、溪洛渡等多個水電工程。巖壁吊車梁是利用一定數(shù)量的深孔錨桿和巖壁臺座把混凝土梁體牢牢地錨固在巖石上，由錨桿和鋼筋混凝土聯(lián)合構(gòu)成壁式受力結(jié)構(gòu)。梁體承受的全部荷載及其自重通過錨桿及巖壁臺座傳遞到巖體內(nèi)。與普通吊車梁相比，具有減小廠房跨度、有利于廠房穩(wěn)定、節(jié)約工程量和造價、便于提前安裝吊車、方便后期混凝土澆筑及發(fā)電機(jī)組安裝等優(yōu)點(diǎn)。但同時由于巖壁吊車梁是利用錨桿將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)錨固在巖壁上，其受力條件和承載能力不僅與梁體結(jié)構(gòu)、錨桿參數(shù)等有關(guān)，還受圍巖條件、輪壓大小和分布、洞室規(guī)模、地應(yīng)力大小和方向等影響，其受力狀態(tài)較普通吊車梁復(fù)雜。因此巖壁吊車梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在地下廠房施工期和運(yùn)行期的重要作用使得其設(shè)計(jì)和施工備受重視。

官地水電站巖壁吊車梁在廠房第四層開挖完成后澆筑，在其下部廠房邊墻開挖及機(jī)組段大體積混凝土澆筑初期，梁體出現(xiàn)了水平向和鉛直向裂縫，局部區(qū)域梁體與圍巖出現(xiàn)了脫開的縱向裂縫。巖壁吊車梁混凝土裂縫的出現(xiàn)，會大大削弱其整體性，對結(jié)構(gòu)安全較為不利。本文結(jié)合官地水電站地下廠房巖壁吊車梁裂縫實(shí)例，從地質(zhì)條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)和三維數(shù)值仿真分析等多個角度，分析裂縫形成機(jī)制，提出了裂縫處理措施。施工期巖壁吊車梁出現(xiàn)裂縫具有普遍性，提出相應(yīng)的預(yù)防措施供探討和參考。

2 地下廠房簡介

官地水電站地下洞室群規(guī)模巨大，主要由引水洞、主廠房、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成。主廠房、主變室、尾調(diào)室三大洞室平行布置，軸線方向N5°E，主廠房與主變室間巖柱厚49.2m，尾調(diào)室與主變室間巖柱厚48.8m。主廠房全長243.44m，吊車梁以上開挖跨度31.10m，以下開挖跨度29.00m，開挖高度76.30m；主變室長197.30m，寬18.8m，總高25.20m。引水洞采用一機(jī)一洞布置，尾水調(diào)壓室采用“兩機(jī)一室”布置型式，設(shè)置兩個條型調(diào)壓室。

根據(jù)地下洞室群開挖順序及支護(hù)參數(shù)研究成果，地下廠房共分11層進(jìn)行開挖，主變室共分4 層進(jìn)行開挖(見圖1)。系統(tǒng)支護(hù)方案以普通砂漿錨桿和掛網(wǎng)噴混凝土為主，結(jié)合使用預(yù)應(yīng)力錨索。為及時掌握地下廠房施工期圍巖的變形和穩(wěn)定情況，安全監(jiān)測設(shè)計(jì)以圍巖變形與支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測為主，輔以一定的結(jié)合部監(jiān)測。

3 巖壁吊車梁裂縫介紹

官地水電站地下廠房內(nèi)安裝2臺450t+450t雙小車大橋機(jī)和1臺160t/16t小橋機(jī)，每臺大橋機(jī)每側(cè)12個輪子，最大單個輪壓785kN。巖壁吊車梁頂寬2.25m，高3.18m，總長226.42m。巖壁吊車梁壁座角為35°，巖壁吊車梁體型范圍內(nèi)布設(shè)兩排受拉錨桿、一排系統(tǒng)錨桿和一排受壓錨桿。受拉錨桿均采用長12m@70cm的φ40Ⅲ級精軋螺紋鋼筋，入巖9.7m，靠近巖壁的1.5m范圍內(nèi)涂抹瀝青。上排受拉錨桿上傾角25°，下排受拉錨桿上傾角20°。系統(tǒng)錨桿采用長9m@150cm的φ32Ⅱ級鋼筋，水平入巖7.5m。受壓錨桿采用長9m@70cm的φ32Ⅱ級鋼筋，垂直巖面入巖7.5m。在巖壁吊車梁上下分別間隔布置了一排1 750kN和1 500kN的預(yù)應(yīng)力錨索。巖壁吊車梁典型斷面見圖2。

圖1 主廠房及主變室分層開挖示意 圖2 巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)及支護(hù)剖面示意

圖3 上游巖錨梁巖臺裂縫延伸長度分布情況 圖4 上游巖錨梁立面裂縫延伸長度分布情況

巖壁吊車梁于2008年10月19日進(jìn)行第一倉混凝土澆筑，至12月10日巖壁吊車梁混凝土澆筑全部完成。2010年2月中旬廠房基坑開挖完成，1號機(jī)組錐管混凝土澆筑完成后檢查發(fā)現(xiàn)上游巖壁吊車梁混凝土有裂縫。裂縫幾何分布特征如下：

(1)裂縫延伸長度分布特征。從圖3和圖4統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在上游巖錨梁臺面上出現(xiàn)的裂縫，其延伸長度出現(xiàn)明顯的“兩極分化”，裂縫的最小延伸長度為0.18m，最大延伸長度為1.9m；其中有50%的裂縫，其延伸長度介于1.5m和2.0m之間；另有42%的裂縫延伸長度小于0.5m。在上游巖錨梁立面上出現(xiàn)的裂縫，最小延伸長度為0.3m，最大延伸長度為2.4m； 62%的裂縫其延伸長度介于2.0m和2.5m之間，另有32%的裂縫其延伸長度介于0.5m與1.5m之間。

(2)裂縫寬度分布特征。從圖5和圖6統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，臺面裂縫的最小寬度為0.1mm，最大寬度為2.5mm。65%的臺面裂縫，其寬度在0.1mm之內(nèi)，裂縫寬度小于0.5mm的占總數(shù)的84%，有12%的裂縫寬度大于1mm。立面裂縫的最小張開寬度為0.1mm，最大寬度為2.0mm。裂縫寬度在0.1mm之內(nèi)的占裂縫總數(shù)的24%；裂縫寬度在0.5mm之內(nèi)的占裂縫總數(shù)的81%，有3%的裂縫寬度大于1mm。

圖5 上游巖錨梁巖臺裂縫張開寬度分布統(tǒng)計(jì) 圖6 上游巖錨梁立面裂縫張開寬度分布統(tǒng)計(jì)

圖7 上游巖錨梁裂縫沿廠房軸線分布密度

(3)裂縫密度分布特征。圖7為裂縫密度沿廠房軸線方向的分段統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從裂縫的整體分布來看，廠橫0+088～0+076m段是裂縫發(fā)育的密集區(qū)段。此段范圍內(nèi)的臺面裂縫其平均延伸長度為1.43m，平均張開寬度為0.61mm；立面裂縫的平均延伸長度和平均張開寬度分別為2.07m和0.66mm，均總體上大于其他部位；且以張性裂縫為主。

4 裂縫部位地質(zhì)條件

廠房上游邊墻廠橫0+20～0+130m段，主要錯動帶出露12條，組成物質(zhì)均以糜棱角礫巖、壓碎巖、石英為主，力學(xué)類型為巖屑巖塊型。延伸長度從21～60m不等。此段巖體圍巖類別：1 227.0m高程以上以Ⅲ類為主，局部裂隙密集發(fā)育部位或錯動帶交匯部位，巖體較破碎，1 227.0m高程以下以Ⅱ類為主。廠房3號、4號機(jī)組上游邊墻存在錯動帶fx12、fx22、fx11、fx23、fx45、fxk09軟弱結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀見圖8。自2009年10月份以來，在上游邊墻3號～4號機(jī)組段發(fā)現(xiàn)多處噴層裂縫，巖壁吊車梁上部出現(xiàn)4條噴層裂縫，最長為10.21m；巖壁吊車梁下部出現(xiàn)4條噴層裂縫，延伸最長的為6.68m。

3號壓力管道內(nèi)距離廠房上游邊墻12～22m范圍內(nèi)發(fā)育有與廠房邊墻近似平行的高陡傾角結(jié)構(gòu)面，主要包括錯動帶fx3-15和裂隙密集帶N10°W/SW∠70°(見圖9)。錯動帶fx3-15在壓力管道左側(cè)半洞1 195m高程附近寬度約1～3cm左右，延伸至右側(cè)半洞1 195m高程附近后，漸變?yōu)橐粭l裂隙，裂面可見明顯擦痕。但從圖8看，該條錯動帶在上游邊墻上并未出露。

圖8 主廠房上游邊墻廠橫0+020～0+130m段發(fā)育的主要錯動帶

5 裂縫成因分析

在裂縫密集區(qū)廠橫0+076m處巖壁吊車梁及其上、下部均布置有監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面的儀器布置見圖10和圖11。儀器編號約定如下：M代表多點(diǎn)位移計(jì)，上標(biāo)4表示四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，4個測點(diǎn)的深度為：28.5m、22.5m、12.5m、5.5m；R3代表錨桿應(yīng)力計(jì)；PR代表錨索測力計(jì)；下標(biāo)數(shù)值代表監(jiān)測儀器編號，CF符號代表工程部位，即廠房。

5.1 變形監(jiān)測成果分析

圖10 廠房上游邊墻監(jiān)測儀器布置(廠橫0+076m) 圖11 巖壁吊車梁監(jiān)測儀器布置(廠橫0+076m)

圖12 多點(diǎn)位移計(jì)位移變化曲線

圖14、15分別為巖壁吊車梁水平和鉛直變形動態(tài)演化特征曲線。圖上可以看出：上游吊車梁在廠橫0+60～0+120m水平變形較大，向兩側(cè)呈非對稱減小趨勢，大樁號部位受到安裝間端部約束作用變形相對較??；各部位隨下臥開挖逐漸增大，變形增長大的時段為主廠房第5～7層開挖期間。上游吊車梁鉛直向變形在小樁號上抬，大樁號下沉，分界點(diǎn)大致在3號機(jī)組附近，隨廠房下部開挖及4條壓力管道與4尾水洞開挖，沉降和抬升不斷變化，變化較大的對應(yīng)7～11層開挖期。分析表明：隨著主廠房向下開挖，吊車梁產(chǎn)生了水平方向和鉛直方向的不協(xié)調(diào)變形。

5.2 支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測成果分析

圖13 多點(diǎn)位移計(jì)位移隨時間及開挖進(jìn)展變化曲線廠橫0+076m，EL1214.70m)

圖14 上游吊車梁水平位移沿廠房軸線方向變化示意

圖15 上游吊車梁鉛直位移沿廠房軸線方向變化

5.3 三維數(shù)值仿真分析

圖18、19為地下洞室群的位移等值線圖。洞室群位移場的總體分布特征為：

(1)洞室群開挖后，洞周圍巖卸荷，變形總體上表現(xiàn)為向臨空面發(fā)展，各個洞室的拱頂均未表現(xiàn)出向上回彈現(xiàn)象，而是逐步下沉；底板向上回彈。

圖16 錨桿應(yīng)力歷時圖廠橫0+076m 上游巖錨梁EL1226.98m)

圖17 錨桿應(yīng)力歷時圖廠橫0+076m上游吊車梁EL1226.58m)

圖18 3號機(jī)組中心線剖面位移等值線(單位：mm) 圖19 4號機(jī)組中心線剖面位移等值線(單位：mm)

(2)洞室群開挖后，圍巖總體變形形態(tài)受控于三維地應(yīng)力場，同時在局部受到巖體結(jié)構(gòu)面影響十分明顯(fx3-15)。主廠房上游邊墻位移大于下游邊墻；同一斷面邊墻中部變形大于上部和下部。

綜上分析，無論是監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，還是由三維數(shù)值分析結(jié)果來看，整個上游邊墻圍巖的變形沿主廠房軸線的分布極不均勻，廠橫0+076m處是整個上游邊墻圍巖變形最大的部位。主廠房上游邊墻的變形整體較小，僅3號機(jī)組段監(jiān)測斷面高程1 214.70m和高程1 226.45m兩處的局部變形較大。上游邊墻圍巖強(qiáng)烈的不均勻變形引起了巖壁吊車梁的裂縫。

6 裂縫處理及荷載試驗(yàn)成果

6.1 裂縫處理

巖壁吊車梁裂縫如不進(jìn)行處理會引起鋼筋的銹蝕，將會降低混凝土的耐久性和抗疲勞能力，從而降低了其整體性，對結(jié)構(gòu)安全不利。因此需要根據(jù)裂縫寬度及深度的不同，對廠房吊車梁上的裂縫進(jìn)行潮濕型改性環(huán)氧樹脂注漿處理。具體措施如下：

(1)對寬度小于0.2mm的一般淺表性裂縫，利用混凝土表層微細(xì)獨(dú)立裂縫或網(wǎng)狀裂縫的毛細(xì)作用吸收具有良好滲透性的潮濕型改性環(huán)氧樹脂(注射劑)，進(jìn)行表面封閉。

(2)對寬度大于0.2mm的淺表型裂縫及所有貫穿性裂縫，采用潮濕型改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行壓力注漿處理。壓力注漿前，對裂縫周邊進(jìn)行密封，可在構(gòu)件表面沿裂縫走向騎縫鑿出槽深和槽寬分別不小于20mm和15mm+5t(t為裂縫最大寬度)的U形槽，然后用改性環(huán)氧樹脂充填并粘貼復(fù)合材料封閉其表面。

(3)巖壁吊車梁與圍巖的鉛直接觸面進(jìn)行潮濕型改性環(huán)氧樹脂注漿處理。

6.2 荷載試驗(yàn)成果

巖壁吊車梁荷載試驗(yàn)對廠橫0+164.12m(安裝間)、廠橫0+114.00m(4號機(jī)組)、廠橫0+076m(3號機(jī)組)、廠橫0+038m(2號機(jī)組)、廠橫0+000m(1號機(jī)組)5個斷面進(jìn)行了荷載試驗(yàn)并對監(jiān)測儀器進(jìn)行了觀測。

(1)荷載級別。廠橫0+114.0m斷面荷載逐級加載到110%P(P為試驗(yàn)設(shè)定最大豎向輪壓，即900t、990t)，廠橫0+164.12m斷面荷載逐級加載到125%P(1 150t)，廠橫0+076m、廠橫0+038m和廠橫0+000m斷面分別進(jìn)行75%P(675t)和100%P(900t)兩級加載，每級做兩遍。

圖20 廠橫0+076m多點(diǎn)位移計(jì)各測點(diǎn)位移增量與輪壓關(guān)系

圖21 廠橫0+076m錨桿應(yīng)力計(jì)應(yīng)力增量與輪壓關(guān)系 圖22 廠橫0+114m測縫計(jì)開合度與輪壓關(guān)系

在巖壁吊車梁試驗(yàn)完成后，對巖壁吊車梁和廠房邊墻進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)巖壁吊車梁上出現(xiàn)新的裂縫，邊墻表層混凝土也沒有脫落，巖壁吊車梁與邊墻接觸處試驗(yàn)前后均無異常，表明對巖壁吊車梁裂縫進(jìn)行的化學(xué)灌漿、表面粘貼碳纖維布的處理是可行的。

7 結(jié) 論

官地水電站巖壁吊車梁建造后在后續(xù)洞室開挖卸荷作用下，圍巖產(chǎn)生非均勻變形，致使吊車梁產(chǎn)生水平方向和鉛直方向的不協(xié)調(diào)變形，是引起混凝土發(fā)生裂縫的主要因素。通過對裂縫采用化學(xué)灌漿措施處理后可滿足巖壁吊車梁穩(wěn)定性和安全性的要求。

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