王金生，蔡仁龍，張順高，陳春文

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

猴子巖水電站地下廠房施工期巖錨梁裂縫成因分析

王金生，蔡仁龍，張順高，陳春文

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

猴子巖水電站地下廠房開挖過程中，巖錨梁表面不同部位出現(xiàn)了多處橫向裂縫與縱向裂縫。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件、監(jiān)測成果及施工過程，對巖錨梁裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行詳細(xì)的分析。研究表明：裂縫的產(chǎn)生時(shí)間為2013年5月至8月底，即地下廠房開挖第Ⅳ層期間，高地應(yīng)力條件下開挖卸荷，圍巖差異變形是引起巖錨梁出現(xiàn)裂縫的主要原因，引起圍巖差異變形的地質(zhì)原因是存在擠壓帶和次級小斷層；施工原因是爆破擾動和支護(hù)不及時(shí)，不能有效節(jié)制圍巖變形。為保證巖錨梁在施工期及運(yùn)營期的穩(wěn)定性，應(yīng)加強(qiáng)施工期地質(zhì)工作，及時(shí)預(yù)測和發(fā)現(xiàn)邊墻可能出現(xiàn)的差異變形，并加強(qiáng)支護(hù)措施，確保巖錨梁的安全。

地下廠房；巖錨梁；施工期；裂縫成因；猴子巖水電站

0 前 言

巖錨梁又稱為巖壁吊車梁，于20世紀(jì)70年代在挪威首次使用［1］，并于1986年首次在國內(nèi)魯布革水電站地下廠房獲得成功應(yīng)用［2］。此后，巖錨梁在國內(nèi)水電站地下廠房中得到廣泛使用。巖壁吊車梁是水電站地下廠房的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，它是通過注漿錨桿（或錨索）將鋼筋混凝土梁固定在巖壁上，梁體承受的全部荷載通過錨桿（或錨索）和混凝土與巖臺的接觸面?zhèn)鬟f給圍巖。在地下洞室采用這種承重結(jié)構(gòu)，不僅可以縮小廠房跨度，有利于圍巖穩(wěn)定，而且可以提前安裝臨時(shí)橋吊和永久性橋吊，加快廠房下部巖體的開挖，方便混凝土的澆筑以及發(fā)電機(jī)組的吊裝，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益［2-5］。

經(jīng)驗(yàn)表明，巖錨梁在施工期及后期運(yùn)行過程中，混凝土經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，裂縫以垂直于巖錨梁長度方向的橫向裂縫為主，平行于梁體的縱向裂縫相對少見［5］。巖錨梁作為重要的受力構(gòu)件，梁體混凝土出現(xiàn)裂縫不僅影響美觀，更將對其整體受力性能、耐久性產(chǎn)生較大影響，威脅施工期、運(yùn)行期的人員設(shè)備安全。因此，找出施工期巖錨梁出現(xiàn)裂縫的原因，分析其開裂機(jī)制，并提出相應(yīng)的加固處理措施是十分有必要的。本文結(jié)合猴子巖水電站地下廠房施工期巖錨梁的開裂實(shí)例，從地質(zhì)條件、監(jiān)測成果和施工過程等多方面分析裂縫的成因。以期為類似工程問題提供借鑒。

1 工程概況

猴子巖水電站地下廠房系統(tǒng)布置于大渡河右岸，水平埋深280～510 m，垂直埋深400～660 m，共安裝4臺機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 700 MW。地下主廠房軸線方向N61°W，主廠房由安裝間、主機(jī)間和副廠房三部分組成。廠房全長224.4 m，巖錨梁以上跨度為29.2 m，以下跨度為25.8 m，最大開挖高度70.5 m，頂拱高程為1 730.5 m，底板最低高程1 660 m。巖錨梁全長196.5 m，平行布置于安裝間和主機(jī)間上下游邊墻。巖錨梁截面尺寸2.6 m×2.8 m，巖壁傾角40.4°，梁體底面傾角45°，下拐點(diǎn)高程1 713.8 m，上拐點(diǎn)高程1 715.8 m，其斷面見圖1所示。

圖1 巖錨梁斷面結(jié)構(gòu)及錨固示意（單位：cm）

2 巖錨梁裂縫分布特征

巖錨梁于2012年11月13日開始進(jìn)行混凝土澆筑，歷時(shí)75天，于2013年1月27日完成澆筑。2013年5月18日，施工人員巡查發(fā)現(xiàn)巖錨梁出現(xiàn)裂縫22條，伸縮縫錯(cuò)位1處；7月22日巡查結(jié)果是巖錨梁裂縫有26條，伸縮縫錯(cuò)位2處；10月22日項(xiàng)目組進(jìn)行復(fù)查時(shí)，巖錨梁裂縫發(fā)展為30條（其中上游側(cè)18條，下游側(cè)12條），伸縮縫錯(cuò)位3處（其中上游側(cè)2處，下游側(cè)1處）。上游側(cè)巖錨梁裂縫主要集中分布在安裝間、3號、4號機(jī)組處；下游側(cè)巖錨梁裂縫主要集中分布在1號、3號機(jī)組處。裂縫一般寬0.1～3 mm，最大可達(dá)10 mm，延伸長度50～170 cm，見圖2（a）；伸縮縫最大張開24 mm，錯(cuò)位達(dá)14.6 mm，見圖2（b）。由此可見，隨時(shí)間推移，巖錨梁處于持續(xù)變形中。圖3為巖錨梁變形情況調(diào)查示意。

圖2 巖錨梁變形現(xiàn)象

圖3 巖錨梁變形情況調(diào)查示意（2013.10.22）

3 巖錨梁開裂原因分析

本文結(jié)合地質(zhì)條件、監(jiān)測成果以及施工過程對巖錨梁開裂原因進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 地質(zhì)條件

（1）巖體結(jié)構(gòu)。猴子巖水電站地下廠房巖錨梁位于泥盆系下統(tǒng)（D11）第⑨層中，該巖層以中厚層～厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r為主，局部呈薄層狀。巖錨梁部位圍巖巖層產(chǎn)狀N40°～60°E／NW∠30°～45°，局部偏轉(zhuǎn)為近EW向。巖錨梁處圍巖類別以Ⅲ1類為主，僅在下游側(cè)廠橫0＋77～140.5 m處為Ⅳ類，巖體完整性較好。

地質(zhì)編錄資料表明，在上、下游邊墻巖錨梁范圍內(nèi)發(fā)育多組擠壓破碎帶、次級小斷層（見圖3）以及傾向臨空面的結(jié)構(gòu)面。小斷層與擠壓破碎帶、隨機(jī)結(jié)構(gòu)面交切組合，在邊墻上可能形成不穩(wěn)定塊體，在開挖過程中多處巖臺不易成型。巖錨梁巖臺超挖及不易成型等地質(zhì)缺陷，使得巖臺面存在差異，易引起應(yīng)力集中導(dǎo)致巖錨梁開裂。從圖3中可以看出，斷層、擠壓破碎帶分布的區(qū)域，巖錨梁裂縫也較多，下游側(cè)尤其明顯，這說明梁體裂縫的產(chǎn)生與巖體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

對于上下游巖錨梁廠橫0＋33.2 m處伸縮縫產(chǎn)生的大錯(cuò)位現(xiàn)象，經(jīng)分析認(rèn)為與該部位發(fā)育的斷層fzc-3關(guān)系密切（見圖3）。fzc-3與邊墻大角度相交，貫穿整個(gè)洞室，帶寬約1-3 cm，平直，可見擦痕，由碎粒巖、碎粉巖充填，力學(xué)性質(zhì)較差。由于開挖卸荷，圍巖應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，高地應(yīng)力條件下的卸荷作用使得斷層力學(xué)參數(shù)不斷劣化，致使斷層上下盤的巖體產(chǎn)生滑移，圍巖的不均勻變形，致使巖錨梁出現(xiàn)錯(cuò)臺現(xiàn)象。如上所述，上游側(cè)巖錨梁廠橫0＋95 m處伸縮縫發(fā)生錯(cuò)位與擠壓破碎帶g1-4-14關(guān)系密切（見圖3），變形機(jī)理與廠橫0＋33.2 m處一致。

（2）地應(yīng)力?？裳须A段在主廠房范圍內(nèi)進(jìn)行地應(yīng)力測試，該點(diǎn)處實(shí)測地應(yīng)力值的水平面投影方位角與廠房軸線方向（N61°W）、巖層面的關(guān)系見圖4：

圖4 實(shí)測地應(yīng)力值的水平面投影方位角與廠房軸線、巖層走向關(guān)系

從主應(yīng)力的大小分析：σ1為36.43 MPa，σ2為29.80 MPa，σ3為22.32 MPa，測值均較大，其中20 MPa＜σm＜40 MPa；結(jié)合地下廠區(qū)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果和巖體強(qiáng)度分析，猴子巖水電站地下廠房巖石強(qiáng)度應(yīng)力比（Rb／σm）約2～4，可以判定為高地應(yīng)力區(qū)。在高地應(yīng)力條件下，高邊墻（巖錨梁）的穩(wěn)定性問題更加突出。

從主應(yīng)力的方向分析：最大主應(yīng)力σ1的方向與廠房軸線小角度相交，并且與巖層走向大角度相交，略偏向于上游，對洞室的圍巖穩(wěn)定有利；中主應(yīng)力σ2的方向與廠房軸線大角度相交，且與巖層走向小角度相交，偏向于上游，對洞室的圍巖穩(wěn)定不利；最小主應(yīng)力σ3方向與廠房軸線大角度相交，偏向于上游，對洞室的圍巖穩(wěn)定不利。廠區(qū)中主應(yīng)力σ2、σ3均與上下游邊墻走向大角度相交，且量級較大，對邊墻、巖錨梁穩(wěn)定性極為不利，邊墻（巖錨梁）開挖后產(chǎn)生卸荷，加之巖錨梁錨桿的施工使得圍巖經(jīng)過多次的應(yīng)力調(diào)整，影響邊墻和巖錨梁的穩(wěn)定性。

3.2 內(nèi)觀監(jiān)測成果分析

為了解巖錨梁部位圍巖變形情況，在巖錨梁處布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、測縫計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測布置情況見圖5所示。

圖5 巖錨梁監(jiān)測儀器詳圖（2-2監(jiān)測剖面上游側(cè)）

圖6（a）、（b）為上下游側(cè)巖錨梁處圍巖位移動態(tài)演化過程曲線，從圖中可以看出：巖錨梁各監(jiān)測斷面處位移量值差異性大，表明圍巖差異變形較大；各部位變形隨下臥開挖逐漸增大，且在第Ⅳ層開挖期間變形幅度最大，這與裂縫主要出現(xiàn)于第Ⅳ層開挖期間相符；停工期間，各部位位移變化較小，從側(cè)面說明施工擾動對巖錨梁穩(wěn)定具有一定影響；小樁號部位受到安裝間端部的約束作用變形相對較??；下游側(cè)巖錨梁在大樁號部位變形量較小，是由于該部位混凝土墻置換破碎圍巖，使圍巖穩(wěn)定增加。

圖6 巖錨梁處圍巖位移動態(tài)演化過程曲線

圖7為廠橫0＋18.8 m斷面下游側(cè)巖錨梁部位錨桿應(yīng)力計(jì)的監(jiān)測值隨時(shí)間變化曲線，入巖0.8 m、2.8 m處測點(diǎn)應(yīng)力增加速率較小，且在儀器量程（300 MPa）范圍內(nèi)發(fā)展；入巖4.8 m處測點(diǎn)應(yīng)力值在第Ⅳ層施工期間劇增，于2013年4月23日達(dá)到700.52 MPa，遠(yuǎn)超儀器量程，該測點(diǎn)儀器損壞。在第Ⅳ層開挖期間，錨桿應(yīng)力計(jì)變幅劇增，與多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測成果相吻合。這表明高地應(yīng)力區(qū)地下廠房開挖卸荷后，與不利結(jié)構(gòu)面共同作用下，圍巖變形由整體卸荷回彈變形逐漸轉(zhuǎn)化為巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形。

3.3 施工因素

施工因素對巖錨梁穩(wěn)定性影響極大，經(jīng)調(diào)查分析，以下施工因素嚴(yán)重影響巖錨梁的穩(wěn)定性：

（1）未嚴(yán)格控制爆破：從位移、應(yīng)力監(jiān)測曲線上可以很明顯看出，爆破施工期間圍巖變形發(fā)生突增，而停工期變形較小，這充分說明施工對巖錨梁穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

圖7 錨桿應(yīng)力過程曲線（廠橫0＋18.8 m斷面下游側(cè)巖錨梁）

（2）支護(hù)不及時(shí)：高邊墻開挖完成后，支護(hù)滯后，造成圍巖向內(nèi)部松弛變形，松弛深度加大，圍巖變形導(dǎo)致巖錨梁變形，梁體出現(xiàn)裂縫。

（3）巖錨梁澆筑過早：主廠房第Ⅱ?qū)佑?012年11月29日才完成開挖，2013年11月13日即進(jìn)行巖錨梁混凝土澆筑，巖錨梁處圍巖應(yīng)力調(diào)整正處于高峰期，應(yīng)力釋放還遠(yuǎn)未結(jié)束就完成了混凝土澆筑。在廠房后續(xù)下挖過程中，圍巖不斷進(jìn)行應(yīng)力釋放、調(diào)整，使已開挖部分的洞壁向廠房內(nèi)部變形，進(jìn)而引起巖錨梁變形。

4 結(jié) 論

巖錨梁作為地下廠房中重要的受力構(gòu)件，結(jié)合開挖揭示的地質(zhì)資料、監(jiān)測資料以及現(xiàn)場施工情況，對猴子巖水電站地下廠房巖錨梁開裂原因展開詳細(xì)分析，初步結(jié)論如下：

（1）根據(jù)現(xiàn)場觀察與監(jiān)測成果分析，猴子巖水電站地下廠房巖錨梁變形開裂產(chǎn)生于2013年5月至8月底，即第Ⅳ層開挖施工期間。

（2）高地應(yīng)力下開挖卸荷引起巖體回彈變形不均勻，圍巖的差異變形是梁體開裂、伸縮縫錯(cuò)動的主要原因。導(dǎo)致圍巖差異變形較大的地質(zhì)原因即是存在擠壓破碎帶以及次級小斷層；施工原因是爆破擾動、支護(hù)不及時(shí)，不能有效節(jié)制圍巖變形。

（3）巖錨梁澆筑時(shí)間對其后期穩(wěn)定性具有重要影響，在施工過程中應(yīng)綜合考慮工期、施工難易程度、洞室開挖尺寸等因素，確定最優(yōu)澆筑時(shí)間。

［1]Lien R，Kristiansen J，Pran L S.Suspended Support for Crane Rails in Norwegian Underground Power-houses［J］.International Water Power and Dam Construction，1990，42（4）：48-50.

［2]涂志軍，崔巍.小灣水電站地下廠房巖錨梁現(xiàn)場試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（6）：1139-1144.

［3]陸曉敏，劉春霞.地下廠房巖壁吊車梁的力學(xué)分析及設(shè)計(jì)［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（1）：30-34.

［4]谷兆祺，彭守拙，李仲奎.地下洞室工程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1994：87-89.

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簡訊

我院設(shè)計(jì)的西藏最大水電工程藏木水電站全面投產(chǎn)

10月13日，藏木水電站6號機(jī)組結(jié)束72小時(shí)試運(yùn)行投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電，至此6臺機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)營，較審批的投運(yùn)時(shí)間提前了4個(gè)月，為西藏自治區(qū)成立50周年獻(xiàn)上了一份厚禮。

藏木水電站由我院勘測設(shè)計(jì)，電站裝機(jī)51萬kW，是西藏歷史上建成投產(chǎn)的第一座大型水電站，在西藏能源建設(shè)史上具有里程碑意義。

自2005年接受藏木勘測設(shè)計(jì)任務(wù)以來，我院先后多次踏勘現(xiàn)場，開展論證研究。經(jīng)過不懈努力，先后完成開發(fā)方式研究、預(yù)可行性研究、可行性研究、項(xiàng)目評估等60個(gè)專題研究并順利通過審查。藏木水電站自2007年12月開始籌建工作，歷經(jīng)近8個(gè)年頭末臺機(jī)組順利投產(chǎn)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了西藏電力發(fā)展史上由建設(shè)10萬kW級水電站到50萬kW級的重大跨越。藏木工程的成功，凝聚了60年來奮戰(zhàn)雪域高原的幾代成都院人的心血與智慧。

（本刊編輯部）

TV554

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1003-9805（2015）04-0084-04

2014-12-22

王金生（1967-），男，湖北蘄春人，高級工程師，從事水電站地質(zhì)勘察工作。