譚 可 奇，　程 麗 娟

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都　610072)

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錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響研究

譚 可 奇，程 麗 娟

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長(zhǎng)河壩水電站地下廠房1～4#母線洞在廠房持續(xù)下挖期間均出現(xiàn)了多條環(huán)向裂縫，其中4#母線洞底板距下游邊墻6 m處裂縫寬度達(dá)到3～4 cm，同時(shí)4#母線洞底板下部1 470 m高程多點(diǎn)位移計(jì)變形速率未收斂?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)母線洞底板下方的預(yù)應(yīng)力錨索桿體在底板出露，說(shuō)明母線洞底板開(kāi)挖破壞了底板下方預(yù)應(yīng)力錨索，導(dǎo)致錨索失效。利用地下廠房三維數(shù)值模型，對(duì)該部位錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響進(jìn)行了研究，研究成果表明：預(yù)應(yīng)力損失程度與圍巖變形呈指數(shù)型關(guān)系，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失程度大于60%后圍巖變形急劇增長(zhǎng)。根據(jù)研究結(jié)果，提出了母線洞下部巖體的加強(qiáng)支護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：錨索；預(yù)應(yīng)力損失；洞室穩(wěn)定性；松弛區(qū)；長(zhǎng)河壩水電站

1概述

長(zhǎng)河壩水電站地下廠房系統(tǒng)布置在壩址區(qū)左岸230～430 m山體內(nèi)，安裝4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為2 600 MW；廠房尺寸為228.8 m×30.8 m×73.35 m(長(zhǎng)×寬×高)，軸線方向?yàn)镹82°W，主變室、尾水調(diào)壓室與廠房平行布置。地下廠房三大洞室?guī)r性單一，以晉寧期-澄江期花崗巖為主，巖體新鮮堅(jiān)硬，多呈塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)，以Ⅲ～Ⅱ類(lèi)圍巖為主，巖體完整性總體較好，微新花崗巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為120～140 MPa。廠區(qū)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力為21.82～31.96 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為3.75～6.4，屬于中～高應(yīng)力區(qū)。

開(kāi)挖初期巖體多嵌合緊密，開(kāi)挖面總體成型良好，未曾發(fā)生過(guò)較大規(guī)模的失穩(wěn)現(xiàn)象，僅在個(gè)別地段圍巖發(fā)生了局部破壞。根據(jù)2013年2月現(xiàn)場(chǎng)檢查和變形觀測(cè)得知，1#～4#母線洞洞內(nèi)距廠房下游邊墻5～7 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的環(huán)向開(kāi)裂，其中4#母線洞最為嚴(yán)重，經(jīng)清理底板堆渣后發(fā)現(xiàn)，底板距廠房下游邊墻6 m位置出現(xiàn)了3～4 cm寬的裂縫，向上延伸至邊墻和頂拱，基本環(huán)向貫通。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知：4#母線洞上部1 485 m高程多點(diǎn)位移計(jì)累計(jì)變形達(dá)107.48 mm，4#母線洞下部1 470 m高程多點(diǎn)位移計(jì)累計(jì)變形達(dá)54.67 mm，母線洞上部巖體變形速率趨緩，但母線洞以下巖體變形速率仍較大，其余各洞口監(jiān)測(cè)儀器數(shù)值反映情況基本一致(圖1)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查還發(fā)現(xiàn)4#母線洞底板超挖較多，廠房下游邊墻施工的錨索和部分錨桿在母線洞底板出露，說(shuō)明母線洞底板開(kāi)挖破壞了底板下方預(yù)應(yīng)力錨索，導(dǎo)致錨索失效。筆者探討了母線洞附近錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)母線洞附近巖體變形的影響，并根據(jù)研究結(jié)果提出了母線洞附近廠房邊墻巖體的加強(qiáng)支護(hù)措施。

(a)剛開(kāi)挖后未見(jiàn)環(huán)向裂縫(2012年3月)

(b)4#母線洞底板巖體裂縫(2013年2月)圖1　現(xiàn)場(chǎng)裂縫照片

2計(jì)算模型和參數(shù)

在長(zhǎng)河壩水電站地下廠房施工背景下，根據(jù)相關(guān)資料，建立了三維有限元模型，洞室群整體模型及錨索支護(hù)模型見(jiàn)圖2，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　計(jì)算參數(shù)表

圖2　地下廠房洞室群三維模型及錨索支護(hù)系統(tǒng)示意圖

3錨索預(yù)應(yīng)力損失對(duì)圍巖變形的影響

3.1錨索不同預(yù)應(yīng)力損失下母線洞附近巖體水平位移分布

根據(jù)長(zhǎng)河壩工程母線洞附近錨索預(yù)應(yīng)力損失情況，分別對(duì)預(yù)應(yīng)力損失為20%、40%、60%、80%、90%、100%的工況進(jìn)行了有限元模擬，進(jìn)而分析其對(duì)母線洞附近巖體水平位移的影響。不同預(yù)應(yīng)力工況下母線洞附近巖體最大水平位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3，圖4為錨索預(yù)應(yīng)力損失90%時(shí)邊墻巖體的水平位移云圖。

由圖3可以看出，隨著錨索預(yù)應(yīng)力損失率的增加，母線洞附近巖體水平位移逐漸增大，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失率小于60%時(shí)，預(yù)應(yīng)力損失率對(duì)巖體最大水平位移影響很?。划?dāng)預(yù)應(yīng)力損失率大于60%時(shí)，水平位移突然大幅度上升。由此可見(jiàn)：母線洞附近巖體最大水平位移和預(yù)應(yīng)力損失率呈以下冪指數(shù)關(guān)系：

(1)

式中Uh為最大水平位移；ΔP為錨索預(yù)應(yīng)力損失率。

3.2錨索不同預(yù)應(yīng)力損失下母線洞附近巖體豎向位移分布

圖3　不同預(yù)應(yīng)力工況下母線洞附近巖體最大水平位移示意圖

圖4　錨索預(yù)應(yīng)力損失90%時(shí)巖體水平位移示意圖

圖5為不同預(yù)應(yīng)力工況下母線洞附近巖體最大豎向位移計(jì)算結(jié)果，從中可以看出，隨著錨索預(yù)應(yīng)力損失率的增加，母線洞附近巖體豎向位移變化幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力損失率對(duì)母線洞附近豎向位移幾乎沒(méi)有影響。

圖5　不同預(yù)應(yīng)力工況母線洞附近巖體最大沉降示意圖

4加強(qiáng)支護(hù)措施的討論

由于廠區(qū)最大主地應(yīng)力方向接近垂直于母線洞軸向，在主廠房邊墻開(kāi)挖卸荷情況下，原始的三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整為雙向壓縮且其豎向處于加載狀態(tài)，形成沿母線洞軸線方向的廣義拉伸應(yīng)力狀態(tài)，因此，從力學(xué)角度來(lái)講，母線洞容易出現(xiàn)環(huán)向裂縫，這一點(diǎn)亦在多個(gè)工程中被證實(shí)。文中的計(jì)算結(jié)果也表明：錨索預(yù)應(yīng)力損失程度與巖體水平向變形呈冪指數(shù)關(guān)系，說(shuō)明只要增加一定的預(yù)應(yīng)力，巖體變形即可以得到有效控制。因此，采用增加預(yù)應(yīng)力錨索的方式為邊墻巖體提供圍壓，將母線洞附近巖體的應(yīng)力狀態(tài)由開(kāi)挖后的雙向受壓應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴軌?，則可明顯地提高巖體的破壞強(qiáng)度并可控制巖體變形。

最終決定，在主廠房下游邊墻各母線洞底板下部增設(shè)錨索，新增錨索參數(shù)為預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值T=1 800 kN、L=20 m/T=1 500 kN、L=15 m。

5結(jié)語(yǔ)

從文中的計(jì)算結(jié)果可以看出，母線洞附近巖體的最大水平位移和預(yù)應(yīng)力損失率呈冪指數(shù)關(guān)系，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失率大于60%時(shí)，水平位移急劇增加；預(yù)應(yīng)力損失率對(duì)母線洞附近豎向位移沒(méi)有明顯影響，隨著錨索預(yù)應(yīng)力損失率的增加，母線洞附近巖體豎向位移變化幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)于母線洞中的環(huán)向裂縫，其本質(zhì)為廠房下游邊墻巖體雙向受壓引起的張拉開(kāi)裂，故在廠房下游邊墻母線洞周邊補(bǔ)加預(yù)應(yīng)力錨索即可有效地控制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，使裂縫兩側(cè)巖塊形成整體。由于廠房高邊墻中部變形大，對(duì)錨索支護(hù)力需求高，因此，需要母線洞周邊提供足夠的支護(hù)力并重視錨索施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李寧，孫宏超，姚顯春，等. 地下廠房母線洞環(huán)向裂縫成因分析及處理措施[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008,27(3)：439-446.

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長(zhǎng)兼設(shè)計(jì)副總工程師，碩士，高級(jí)工程師，從事水電水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理及科研工作；

程麗娟(1984-)，女，四川仁壽人，高級(jí)工程師，博士，從事地下工程、巖土工程等方面的設(shè)計(jì)和科研工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

作者簡(jiǎn)介:

收稿日期:2016-01-04

文章編號(hào):1001-2184(2016)01-0058-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類(lèi)號(hào):TV7；TV222