葉輝輝，李良權(quán)，錢 軍

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 地下廠房概況

白鶴灘水電站地下洞室規(guī)模巨大，洞室群布置復(fù)雜，地下廠房洞室群主要由地下廠房、母線洞、主變洞、尾水管檢修閘門室、尾水調(diào)壓室及出線系統(tǒng)等組成。左岸地下廠房縱軸線方位角為N20°E，垂直埋深達(dá)260～330 m；右岸地下廠房縱軸線方位角為N10°W，垂直埋深達(dá)420～500 m。地下廠房?jī)?nèi)分為安裝場(chǎng)、機(jī)組段、輔助安裝場(chǎng)和副廠房，尺寸為438 m×34m×88.7 m（長(zhǎng)×寬×高）。左右岸廠房各安裝8臺(tái)1 000 MW機(jī)組。

1.2 地質(zhì)條件

左岸地下廠房部位為單斜巖層，巖層總體產(chǎn)狀為 N42°～45°E，SE∠15°～20°，主要由 P2β23、P2β31、P2β32層的新鮮狀隱晶質(zhì)玄武巖、斑狀玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖等組成。巖體新鮮堅(jiān)硬，完整性較好，多呈塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)，少量塊裂結(jié)構(gòu)，以Ⅲ1、Ⅱ類圍巖為主，局部分布少量Ⅳ類圍巖。

對(duì)左岸地下廠房影響較大的構(gòu)造主要是沿P2β24凝灰?guī)r中部發(fā)育的C2層間錯(cuò)動(dòng)帶。錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀為N42°～45°E，SE∠14°～17°，錯(cuò)動(dòng)帶厚10～30 cm，泥夾巖屑型，遇水易軟化，對(duì)巖梁開挖成型影響較大。

右岸地下廠房為單斜巖層，地層巖性為P2β33～P2β51層隱晶質(zhì)玄武巖、斜斑玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、角礫熔巖、薄層凝灰?guī)r和杏仁狀玄武巖。其中，P2β34頂部、P2β36、P2β43層分布有0.2～0.6 m厚的凝灰?guī)r或凝灰質(zhì)角礫巖，巖質(zhì)軟弱，遇水易軟化；P2β41層底部發(fā)育厚15～28 m 的第三類柱狀節(jié)理玄武巖，以Ⅲ類圍巖為主，局部分布少量Ⅳ類圍巖。

對(duì)右岸地下廠房影響較大的構(gòu)造主要是沿P2β34凝灰?guī)r中部發(fā)育的層間錯(cuò)動(dòng)帶C3、C3-1。錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀為N45°E，SE∠15°，錯(cuò)動(dòng)帶厚度10～30 cm，泥夾巖屑型，遇水易軟化。發(fā)育緩傾角裂隙密集帶RS411、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶RS4271和RS3371，對(duì)巖梁開挖成型影響較大。

2 巖壁吊車梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)斷面與錨桿設(shè)計(jì)

綜合考慮巖層產(chǎn)狀和主要地質(zhì)構(gòu)造的影響，以及錨桿布置和受力狀況等因素，確定巖壁角。同時(shí)為滿足橋機(jī)布置和運(yùn)行條件，經(jīng)工程類比，確定巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)形式為斜形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。具體尺寸為：頂部寬2.85 m，底部寬1.35 m，高度3.30 m，壁座角度35°。吊車梁結(jié)構(gòu)與地下巖壁通過錨桿連接，共布置3 排錨桿，其中上部布置2 排受拉鋼筋，下部布置1排受壓鋼筋。上部2排受拉鋼筋考慮高強(qiáng)錨桿，采用四級(jí)鋼（HRB500），錨桿直徑40 mm，長(zhǎng)度12 m，入巖9.2 m，排距70 cm，傾角分別為25°和20°；下部1 排受壓錨桿采用三級(jí)鋼（HRB400），錨桿直徑32 mm，長(zhǎng)度9 m，入巖7.5 m，排距70 cm，俯角為36.53°。巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)斷面尺寸如圖1所示。

圖1 巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：mm）Fig.1 Structural section of rock-bolted crane beam

2.2 剛體極限平衡法計(jì)算

采用規(guī)范[1]推薦的剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算，確定巖壁吊車梁設(shè)計(jì)參數(shù)。

剛體極限平衡法假定巖壁吊車梁為剛體，計(jì)算中不考慮圍巖和巖壁吊車梁之間的粘結(jié)力，僅考慮由錨桿拉力承擔(dān)吊車梁荷載和輪壓荷載，錨桿應(yīng)力不考慮圍巖變形引起的釋放應(yīng)力，僅考慮荷載應(yīng)力[2-3]。剛體極限平衡法主要進(jìn)行錨桿受力計(jì)算和巖壁吊車梁與巖壁斜面的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。建立力矩平衡計(jì)算公式，以受壓錨桿與巖壁斜面交點(diǎn)為受力點(diǎn)，確定受拉錨桿參數(shù)，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；γd為巖壁吊車梁受拉錨桿承載力計(jì)算的結(jié)構(gòu)系數(shù)；M為單位梁長(zhǎng)豎向輪壓、橫向水平荷載、巖壁吊車梁自重、軌道及附件重力、梁上防潮隔墻重力等荷載設(shè)計(jì)值對(duì)巖壁吊車梁受壓錨桿與巖壁斜面交點(diǎn)的力矩和；fy為受拉錨桿抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As1、As2分別為第一、二排受拉錨桿單位梁長(zhǎng)的計(jì)算截面面積；Lt1、Lt2分別為第一、二排受拉錨桿到受壓錨桿與巖壁斜面交點(diǎn)的力臂。

巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

式中：γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)；S(·)為沿巖壁斜面的下滑力；γd為抗滑穩(wěn)定結(jié)構(gòu)系數(shù)；R(·)為沿巖壁斜面的阻滑力。

圖2 剛體極限平衡法計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Calculation diagram of rigid body limit equilibrium method

地下廠房巖壁吊車梁豎向輪壓為1 100 kN，水平剎車力為24 kN，綜合考慮吊車梁、軌道及附件、二期混凝土、防潮墻的自重，計(jì)算結(jié)果表明：受拉錨桿滿足強(qiáng)度要求，實(shí)際受力達(dá)157.73 MPa，安全系數(shù)達(dá)3.17；抗滑穩(wěn)定滿足要求，安全系數(shù)達(dá)4.12。

2.3 有限元法分析與評(píng)價(jià)

剛體極限平衡法邊界條件和假定條件比較嚴(yán)格，巖壁吊車梁穩(wěn)定及錨桿參數(shù)的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際相差很大[4-5]。因此，規(guī)范[1]建議對(duì)大型或者復(fù)雜條件下的地下廠房巖壁吊車梁采用有限元法進(jìn)行分析，采用地下洞室整體模型與巖壁吊車梁子模型相結(jié)合的方法。

建立精細(xì)化的三維有限元子模型[6]，模型范圍取巖梁分縫長(zhǎng)度38 m，見圖3。采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型模擬圍巖和梁混凝土結(jié)構(gòu)，采用錨桿單元模擬錨桿，采用接觸面單元模擬巖梁與巖壁結(jié)合面。根據(jù)圍巖條件和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖巖體情況、結(jié)合面的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)保守考慮，取抗剪斷摩擦系數(shù)f′=0.55，抗剪斷粘結(jié)力c′=0.35 MPa。

圖3 巖壁吊車梁有限元子模型示意圖Fig.3 Finite element submodel of rock-bolted crane beam

利用白鶴灘地下廠房洞室整體三維計(jì)算模型，開展開挖分層的仿真分析計(jì)算，提取各個(gè)開挖步序的位移和應(yīng)力增量，作為巖壁吊車梁子模型的邊界條件。

計(jì)算結(jié)果表明：輪壓作用下，第一排受拉錨桿、第二排受拉錨桿和第三排受壓錨桿應(yīng)力最大值分別為67 MPa、53 MPa和0 MPa，見圖4。廠房圍巖開挖變形引起的受拉錨桿和受壓錨桿釋放應(yīng)力相差不大，約為193 MPa，最大值出現(xiàn)在錨桿深部，見圖5。巖壁吊車梁3排錨桿實(shí)際最大應(yīng)力分別為272 MPa、256 MPa 和 193 MPa，小于錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度 420 MPa；安全系數(shù)分別為 1.83、1.95 和 2.07，大于規(guī)范[1]要求的1.5，錨桿安全可靠。巖壁吊車梁與垂直巖壁結(jié)合面開合度約0.65 mm，吊車梁緊貼巖壁。

圖4 輪壓作用下錨桿荷載應(yīng)力分布示意圖Fig. 4 Load stress distribution on anchor rod under wheel pressure

圖5 圍巖開挖引起的錨桿荷載分布圖Fig. 5 Load stress distribution on anchor rod caused by surrounding rock excavation

巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：σi,av為結(jié)合面上第i個(gè)單元的平均正應(yīng)力；τi,av為結(jié)合面上第i個(gè)單元的平均剪應(yīng)力；fik′為結(jié)合面上第i個(gè)單元的抗剪斷摩擦系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；cik′為結(jié)合面上第i個(gè)單元的抗剪斷粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值；Ai為第i個(gè)單元沿潛在滑移面的面積；n為結(jié)合面的單元個(gè)數(shù)。

提取每個(gè)結(jié)合面單元的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，按式（4）計(jì)算得：輪壓荷載作用下，結(jié)合面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.65，滿足要求。

3 巖壁吊車梁施工期關(guān)鍵技術(shù)

3.1 巖壁吊車梁開挖

地下廠房地應(yīng)力較高，局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且發(fā)育有C2層間錯(cuò)動(dòng)帶、陡傾角斷層及長(zhǎng)大裂隙等地質(zhì)構(gòu)造，保證巖臺(tái)開挖成型質(zhì)量是本工程的重難點(diǎn)之一，主要采取如下措施：

（1）地下廠房巖梁開挖施工共分8 個(gè)開挖分區(qū)，開挖順序和臺(tái)階高度的設(shè)計(jì)以減少圍巖擾動(dòng)為目標(biāo)。地下廠房開挖步序如圖6所示，采取中間抽槽、兩側(cè)預(yù)留保護(hù)層的開挖方式，開挖高度小于6 m，預(yù)留保護(hù)層厚度不小于4 m。具體開挖步序如下：第Ⅱ?qū)又虚g①區(qū)開挖→預(yù)留保護(hù)層兩側(cè)②區(qū)開挖→完成第Ⅱ?qū)又ёo(hù)→第Ⅲ層中間③區(qū)開挖→預(yù)留保護(hù)層兩側(cè)④區(qū)開挖→第Ⅲ層中間⑤區(qū)開挖→預(yù)留保護(hù)層兩側(cè)⑥區(qū)開挖→預(yù)留保護(hù)層兩側(cè)⑦區(qū)開挖→第Ⅳ層施工預(yù)裂→巖梁巖臺(tái)⑧區(qū)開挖。

圖6 巖壁吊車梁開挖過程Fig.6 Rock-bolted crane beam excavation

（2）為保證巖壁成型良好和廠房邊墻穩(wěn)定，巖梁部位開挖應(yīng)在上層所有系統(tǒng)支護(hù)完成后進(jìn)行。

（3）巖梁拐點(diǎn)處成型較為困難，在預(yù)留保護(hù)層⑥區(qū)開挖完成后，緊跟掌子面完成巖梁拐點(diǎn)處的2排系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力鎖口錨索。

（4）巖梁開挖需采取控制爆破技術(shù)，斜面及保護(hù)層采用光面爆破，嚴(yán)格控制光爆孔的鉆孔方向、孔距和裝藥量，并根據(jù)地質(zhì)條件的變化和爆破效果及時(shí)修正優(yōu)化孔距和裝藥量。

（5）全部開挖完成后，進(jìn)行巖壁成型修整，巖面修整應(yīng)手工進(jìn)行，修整后應(yīng)力爭(zhēng)取達(dá)到設(shè)計(jì)角度，斜面與水平面的夾角與設(shè)計(jì)值相比只允許偏小，偏差不大于3°。

3.2 補(bǔ)強(qiáng)加固措施

圍巖開挖支護(hù)措施嚴(yán)格實(shí)施后，經(jīng)斷面測(cè)量統(tǒng)計(jì)，地下廠房巖壁吊車梁開挖成型完整率較高。局部洞段受施工條件和不良地質(zhì)條件的影響，巖壁缺失較嚴(yán)重。

根據(jù)實(shí)際開挖體型和巖壁缺失情況，主要采取如下補(bǔ)強(qiáng)加固措施：

（1）超挖部位用附壁墻修補(bǔ)與回填，通過預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨桿與插筋將附壁墻和巖梁混凝土固定在巖壁上。

（2）對(duì)巖體破壞現(xiàn)象較為嚴(yán)重、產(chǎn)生破裂破壞、松弛垮塌的局部圍巖，采用低壓固結(jié)灌漿的措施，增強(qiáng)巖體的完整性。

根據(jù)圍巖超挖的程度，主要有2種補(bǔ)強(qiáng)加固方案[9]，見圖7。方案1 巖壁缺失較小，采用附壁墻與巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)同期澆筑實(shí)施；方案2 巖壁缺失較大，超挖部位采用附壁墻與巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)分兩期澆筑實(shí)施。巖壁加固支護(hù)措施完成且附壁墻混凝土澆筑完成后，鑿毛澆筑二期巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)混凝土。

圖7 巖壁吊車梁補(bǔ)強(qiáng)加固方案Fig.7 Reinforcement schemes of rock-bolted crane beam

剛體極限平衡法計(jì)算結(jié)果表明：方案1 和方案2 的巖梁結(jié)構(gòu)混凝土與巖壁的結(jié)合面抗滑穩(wěn)定滿足要求，安全系數(shù)分別為2.77和2.57，補(bǔ)強(qiáng)加固方案可行。

3.3 原型觀測(cè)

巖壁吊車梁監(jiān)測(cè)儀器布置見圖8。為了監(jiān)測(cè)和了解巖壁吊車梁施工期、運(yùn)行期的運(yùn)行狀況，沿廠房縱向布設(shè)了多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，埋設(shè)大量監(jiān)測(cè)儀器，主要包括錨索測(cè)力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、壓力計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)和鋼筋計(jì)等。

圖8 監(jiān)測(cè)儀器布置圖Fig.8 Layout of monitoring instruments

上下游巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力計(jì)共布置了48套。對(duì)于二點(diǎn)或三點(diǎn)錨桿應(yīng)力計(jì)，取最大值單點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，錨桿應(yīng)力見圖9～10，錨桿A、B、C分別為第一排受拉錨桿、第二排受拉錨桿、第三排受壓錨桿。其中，小于100 MPa 的有26 個(gè)測(cè)點(diǎn)，占36.11%；100～200 MPa 有 22 個(gè)測(cè)點(diǎn)，占 30.56%；200～300 MPa有16個(gè)測(cè)點(diǎn)，占22.22%；300～400 MPa有7 個(gè)測(cè)點(diǎn)，占 9.72%；大于420 MPa 的只有1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，占1.39%。

圖9 上游錨桿應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution on upstream anchor rod

圖10 下游錨桿應(yīng)力分布Fig.10 Stress distribution on downstream anchor rod

上游巖壁吊車梁直壁、拐點(diǎn)處開合度最大值分別為0.44 mm、0.20 mm；下游巖壁吊車梁直壁、拐點(diǎn)處開合度最大值分別為0.51 mm、0.56 mm。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：開合度在-0.7～0.0 mm的占43%，0.0～0.2 mm的占43%，0.2～0.6 mm的占13%。

為了檢驗(yàn)橋機(jī)和巖壁吊車梁的承載安全性，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算的正確性、合理性，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)地下廠房巖壁吊車梁開展100%（1 300 t）的全行程荷載試驗(yàn)。

在100%（1 300 t）荷載作用下，多點(diǎn)位移計(jì)圍巖最大變形量為-0.04～0.19 mm，錨索測(cè)力計(jì)變化量為-1.1～4.48 kN，說明圍巖安全可靠。測(cè)縫開合度最大變化量不超過0.06 mm，斜臺(tái)壓應(yīng)力計(jì)最大變化量不超過0.11 MPa，對(duì)比國內(nèi)類似工程，數(shù)值均在可控、安全范圍內(nèi)，說明巖壁吊車梁混凝土結(jié)構(gòu)與巖壁接觸緊密。巖壁吊車梁第一排受拉錨桿應(yīng)力增量不超過18.09 MPa，第二排受拉錨桿應(yīng)力增量不超過2.97 MPa，第三排受壓錨桿應(yīng)力增量不超過9.65 MPa，增量較小。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)值在試驗(yàn)荷載卸荷后基本能回彈到初始狀態(tài)，說明巖壁吊車梁處于彈性受力狀態(tài)范圍內(nèi)，巖壁吊車梁安全可靠。

4 結(jié)語

巖壁吊車梁是地下廠房中重要的支承結(jié)構(gòu)，以白鶴灘水電站地下廠房巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)為例，總結(jié)分析了巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工期的關(guān)鍵技術(shù)，原型觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了巖壁吊車梁的安全可靠性。

（1）剛體極限平衡法采用分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，受力清晰明了，是目前規(guī)范推薦的巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)和錨桿設(shè)計(jì)主要方法。但由于該方法計(jì)算的局限性，無法充分考慮圍巖開挖本身對(duì)錨桿應(yīng)力和圍巖變形的影響，對(duì)于大型復(fù)雜的巖壁吊車梁宜采用有限元法復(fù)核。

（2）采用有限元法能有效模擬地質(zhì)條件、圍巖開挖等因素對(duì)巖壁吊車梁產(chǎn)生的效應(yīng)，分析圍巖、吊車梁結(jié)構(gòu)、錨桿應(yīng)力、變形等。在合理選擇計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算結(jié)果往往比較真實(shí)全面，是目前最為可靠的計(jì)算方法。

（3）針對(duì)本工程巖壁吊車梁部位圍巖地應(yīng)力高、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)，采取分區(qū)分步開挖、預(yù)留保護(hù)層、增設(shè)鎖腳錨桿、控制爆破等技術(shù)措施，保證了巖壁吊車梁開挖成型質(zhì)量。

（4）針對(duì)開挖成型較差的局部洞段，采取混凝土附壁墻、低壓注漿等補(bǔ)強(qiáng)加固措施，提出適用于不同圍巖超挖程度的兩種補(bǔ)強(qiáng)方案。

（5）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力小于錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度，巖梁與圍巖開合度最大值為0.56 mm，滿足要求。通過橋機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)，各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)增量均較小，表明巖壁吊車梁安全可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工處理措施正確合理。