【摘要】大型水電站地下廠房巖壁吊車梁整體穩(wěn)定性與施工時序關(guān)系密切，不同的施工時序其期梁體變形與應(yīng)力、錨桿應(yīng)力也不盡相同。孟底溝水電站可行性研究階段地下廠房布置在雅礱江左岸孟底溝溝口下游約200m的雄厚山體內(nèi)，具有大跨度、高地應(yīng)力等特點，本文將從各施工時序巖壁吊車梁吊車梁三維有限元計算分析著手，論述選擇的合理性。

【關(guān)鍵詞】巖壁吊車梁；孟底溝水電站；澆筑時序

大型水電站地下廠房巖壁吊車梁整體穩(wěn)定性與施工時序關(guān)系密切。巖壁吊車梁當(dāng)層開挖完畢后，后續(xù)層開挖施工將對巖壁吊車梁部位圍巖變形產(chǎn)生影響；在巖壁吊車梁錨桿實施及梁體澆筑完畢后，圍巖非均勻變形將進(jìn)一步影響錨桿應(yīng)力及梁體內(nèi)部應(yīng)力；圍巖產(chǎn)生變形致使吊車梁產(chǎn)生水平方向和鉛直方向的不協(xié)調(diào)變形，梁體出現(xiàn)了環(huán)向裂縫，局部區(qū)域梁體與圍巖出現(xiàn)了裂縫，從而降低巖壁吊車梁整體穩(wěn)定性。

孟底溝水電站是雅礱江中游七級開發(fā)方案中的第五個梯級，上游與楞古梯級銜接，下游與楊房溝梯級銜接，目前處于可行性研究設(shè)計階段。廠區(qū)地應(yīng)力22～27MPa，屬高地應(yīng)力區(qū)，主廠房縱軸線與第一主應(yīng)力夾角約20°。地下廠房橋機巖壁梁以下寬26.4m，以上寬度29.1m。對于孟底溝水電站大跨度地下主廠房來說，巖壁吊車梁作為其中一個重要組成部分，關(guān)系到施工期和運行期大噸位起重設(shè)備的運行安全，因此在可研設(shè)計階段開展其施工澆筑時序的研究是必要的，進(jìn)一步能指導(dǎo)后續(xù)工程施工。

1、吊車梁體型設(shè)計

吊車梁體型參數(shù)的變化對吊車梁的位移、應(yīng)力、抗滑安全系數(shù)及錨桿應(yīng)力都有較大的影響。當(dāng)梁的高度增加時，吊車梁的位移、交接面的開度、交接面處錨桿應(yīng)力都減??；反之，則增大。當(dāng)?shù)踯嚵焊叨纫欢ǘ鴥A斜交接面角度增加時，吊車梁的抗滑安全系數(shù)提高而錨桿應(yīng)力減??；反之，則增大。可見，對于特大噸位的巖壁吊車梁設(shè)計，確定吊車梁體型相當(dāng)重要。根據(jù)初步選定的廠房吊車型式和起吊荷載，類比已建工程并經(jīng)初步計算，擬定巖壁吊車梁體型及其錨固支護(hù)參數(shù)如圖1所示。

2、施工時序

2.1 主廠房施工開挖步序

主廠房施工開挖步序如圖2。

2.1 計算分析選取時序

根據(jù)主廠房各層開挖步序，中1層為巖壁吊車梁所在層，計算分析選擇以下時序：

1）中1層開挖支護(hù)完成開始澆筑巖壁吊車梁；

2）中2層開挖支護(hù)完成開始澆筑巖壁吊車梁；；

3）中3層開挖支護(hù)完成開始澆筑巖壁吊車梁。

3、三維有限元計算

3.1 計算條件及范圍

取吊車梁模型y=-82.50～-79.35m段作為典型斷面，分析其在施工期、運行期過程中吊車梁的位移、應(yīng)力、錨桿應(yīng)力的變化。

巖錨吊車梁穩(wěn)定及錨固措施研究包括：

1）施工期巖錨吊車梁受力特性分析；

2）運行期巖錨吊車梁受力特性分析；

3.2 各施工時序三維有限元計算

1）施工期巖錨吊車梁受力特性分析

若在中1層開挖完畢后吊車梁錨桿實施與澆筑，第十期開挖完畢后巖錨吊車梁位移、錨桿應(yīng)力分布如圖3。

a）從位移量值變化上可以看出，吊車梁在安裝后緊接著的幾期后續(xù)開挖中量值增加較快。說明下部開挖，高邊墻的形成，受下部洞室開挖應(yīng)力釋放的影響，吊車梁向洞內(nèi)且向上變形較大，開挖影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吊車梁自重產(chǎn)生影響。主廠房開完完畢后，上下游吊車梁頂面處水平相對位移最大達(dá)到2mm左右，量值較小，主要是豎直位移?？傮w看來，由開挖引起的吊車梁位移較大，這主要與此地的地應(yīng)力偏高有關(guān)。吊車梁軌道安裝時，要考慮到后續(xù)開挖對吊車梁變形的影響，選擇恰當(dāng)?shù)臅r間，為其預(yù)留足夠的變形范圍。

b）從錨桿應(yīng)力變化上可以看出，吊車梁部位的錨桿應(yīng)力沿桿方向應(yīng)力均有一個由小到大、又逐漸減小的過程。具體說來就是，錨桿位于吊車梁內(nèi)部以及錨桿插入巖體深度較淺的部位，錨桿應(yīng)力較??；隨著錨桿插入巖體深度的增加，錨桿應(yīng)力逐漸增大；但在錨桿的末端，由于此處遠(yuǎn)離洞周受開挖擾動小，錨桿應(yīng)力又變的較小。當(dāng)開挖完畢時，除局部有錨桿未達(dá)到錨桿抗壓強度和抗拉強度外，大部分錨桿應(yīng)力均超出其屈服強度。

這說明中2層的開挖以及母線洞的開挖，對上下游吊車梁的錨桿應(yīng)力分布有較大影響，后續(xù)開挖面應(yīng)盡量離吊車梁遠(yuǎn)一些或吊車梁錨桿施加和澆筑時間略微滯后，在母線洞開挖時應(yīng)盡可能的減小施工爆破的影響，防止吊車梁的錨桿應(yīng)力增加過大。若吊車梁澆筑時間改為滯后一期（即中2層開挖完畢后）或滯后兩期（即中3層開挖完畢后），，則錨桿應(yīng)力得到明顯改善，如圖4、圖5。

2）運行期錨吊車梁受力特性分析

a）吊車梁錨桿應(yīng)力

若在中1層開挖完畢后吊車梁錨桿實施與澆筑，運行期巖錨吊車梁位移、錨桿應(yīng)力分布如圖6。

運行期吊車梁施加輪壓荷載后，受部位圍巖開挖上抬作用，吊車梁變形有所減小，但輪壓荷載對吊車梁變形的影響較小，吊車梁變形主要是產(chǎn)生于施工期隨圍巖的變形。

吊車梁加載運行后，輪壓對吊車梁錨桿的影響不大；巖錨吊車梁運行期錨桿受力規(guī)律正常，受力條件較好；與未加載時同期相比，第一、二排錨桿的巖錨吊車梁段壓應(yīng)力有所減小，第三排錨桿的壓應(yīng)力增大，第三排錨桿最大應(yīng)力值除局部未達(dá)到錨桿屈服強度外，其余都超出容許強度范圍。巖錨梁上下游整體安全系數(shù)達(dá)到1.00和0.82（如圖7），下游吊車梁與圍巖整體結(jié)合狀態(tài)欠佳，不能滿足抗滑穩(wěn)定要求。

這說明荷載對錨桿應(yīng)力有一定的影響，但錨桿應(yīng)力的變化幅度不大，后續(xù)幾期開挖以及母線洞的開挖對上下游吊車梁的錨桿應(yīng)力分布及整體安全系數(shù)有較大影響。若吊車梁澆筑時間改為滯后一期（即中2層開挖完畢后）或滯后兩期（即中3層開挖完畢后），則整體安全系數(shù)得到明顯改善，如圖8、圖9。

若在中1層開挖完畢后吊車梁錨桿實施與澆筑，加載后吊車梁整體壓應(yīng)力量值和拉應(yīng)力量值均有所增大，但分布規(guī)律基本保持不變。吊車梁大部分都超過混凝土抗拉強度范圍，整體來看，加載后吊車梁運行仍存在很大安全隱患，其應(yīng)力分布見圖10。

若滯后一期（即中2層開挖完畢后）吊車梁錨桿實施與澆筑，加載后吊車梁整體壓應(yīng)力量值和拉應(yīng)力量值均有所增大，但分布規(guī)律基本保持不變。吊車梁大部分都未超過混凝土抗拉強度范圍，整體來看，加載對吊車梁運行影響不大，其應(yīng)力分布見圖11。此時開挖荷載對吊車梁影響比輪壓荷載對吊車梁的影響仍較大，施工期吊車梁隨圍巖整體變形仍為吊車梁的主要變形，輪壓荷載并未對吊車梁變形產(chǎn)生較大影響。

4、分析結(jié)論

從巖壁吊車梁施工期及運行期的有限元分析成果可以看出，這說明第五期及后續(xù)開挖以及母線洞的開挖，對上下游吊車梁梁體應(yīng)力、位移及錨桿應(yīng)力分布有較大影響。因此，考慮到巖錨梁部位洞室圍巖穩(wěn)定及錨桿應(yīng)力，吊車梁錨桿施加時間盡量設(shè)置在中2層開挖完畢；為確保梁體應(yīng)力，澆筑時間應(yīng)盡量設(shè)置在中3層開挖完畢母線洞貫通后。同時母線洞開挖時應(yīng)盡可能的減小施工爆破的影響，防止吊車梁梁體應(yīng)力、位移及錨桿應(yīng)力增加過大及整體穩(wěn)定系數(shù)偏小現(xiàn)象發(fā)生。

作者簡介：張順利（1979-），男，河南信陽人，高級工程師，主要從事水工廠房設(shè)計工作。