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噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)與工程應(yīng)用

2012-04-14 11:57樊熠瑋廖成剛侯東奇
水電站設(shè)計(jì) 2012年4期
關(guān)鍵詞:拱架洞室廠房

馮 梅,樊熠瑋,廖成剛,侯東奇

(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

噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)是在工程實(shí)踐中提出的一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式,主要應(yīng)用于大中型地下洞室頂拱不良地質(zhì)地段的圍巖支護(hù)。大朝山水電站地下廠房在國內(nèi)首次采用“鋼筋肋拱+噴射鋼纖維混凝土”柔性支護(hù)技術(shù),成功代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土襯砌,節(jié)約工程投資2 000萬元,取得良好的社會經(jīng)濟(jì)效益[1]。錦屏一級水電站地下廠房洞室群在開挖過程中,受高地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度相對較低、斷層等特殊地質(zhì)因素影響較大,為確保不良地質(zhì)地段的支護(hù)力度,同時(shí)方便施工,在支護(hù)設(shè)計(jì)上較多地采用了這種支護(hù)型式。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過程

噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)充分利用了噴混凝土及時(shí)快速對圍巖開挖面進(jìn)行封閉的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)采用鋼筋拱架增強(qiáng)了噴層的剛度和強(qiáng)度,可以在常規(guī)噴射厚度的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加噴層厚度,從而為圍巖提供更大的側(cè)向壓力。鋼筋拱架可根據(jù)實(shí)際開挖斷面現(xiàn)場制作和安裝,遇到超挖嚴(yán)重的地方,還可以增加附拱或改變鋼筋形式,使肋拱鋼筋緊貼開挖面,起到良好的柔性支護(hù)作用。雖然其在強(qiáng)度和剛度上不及鋼筋混凝土襯砌,但鋼筋肋拱結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮圍巖的自身承載作用,且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,制作方便,能適應(yīng)現(xiàn)場施工的需要,快速對圍巖進(jìn)行支護(hù),保證了圍巖支護(hù)的及時(shí)性,對圍巖穩(wěn)定十分有利。特別是對于大中型地下洞室的頂拱支護(hù),當(dāng)遇到斷層、軟弱夾層等不利地質(zhì)條件時(shí),采用噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)是較好的選擇。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[2]的規(guī)定,錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)宜以工程類比法為主,設(shè)計(jì)參數(shù)主要由圍巖類別和洞室規(guī)模決定。常見的掛網(wǎng)噴護(hù)設(shè)計(jì)厚度為50~200mm,規(guī)范建議一般情況下不宜超200mm,掛網(wǎng)鋼筋多為φ8~φ12。工程實(shí)踐證明,對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖,在外部地應(yīng)力屬于低~中等強(qiáng)度的情況下,這樣的設(shè)計(jì)參數(shù)是比較合適的;但對于外部地應(yīng)力較高,巖體條件較差一些的Ⅲ類、Ⅳ類或巖體條件相對好一些的Ⅴ類圍巖,特別是出現(xiàn)斷層或裂隙較發(fā)育時(shí),上述錨噴支護(hù)的強(qiáng)度就顯得有點(diǎn)弱,需要適當(dāng)提高支護(hù)強(qiáng)度。提高支護(hù)強(qiáng)度一方面可以提高噴射混凝土的強(qiáng)度等級,采用C25、C30等,或者采用聚乙烯或鋼纖維混凝土等;另一方面需要提高鋼筋網(wǎng)的強(qiáng)度,以合理抑制圍巖較大的變形和破壞效應(yīng),這種情況下噴射混凝土鋼筋肋支護(hù)結(jié)構(gòu)就更為合適。相比較而言,噴射混凝土鋼筋肋拱的支護(hù)強(qiáng)度處于一般的錨噴和襯砌混凝土之間,可以在巖體條件合適的情況下替代襯砌混凝土作為圍巖的復(fù)合支護(hù)措施。

噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)由噴射混凝土、鋼筋拱架、系統(tǒng)連接錨桿和局部固定錨筋等組成。噴射混凝土為常規(guī)噴混凝土或鋼纖維混凝土,強(qiáng)度等級為C25或C30等,根據(jù)工程實(shí)際情況選擇。采用纖維混凝土?xí)r,纖維的摻量要合適,建議在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定。筆者在工程實(shí)際中發(fā)現(xiàn),鋼纖維在地下水入滲的情況下容易生銹,故應(yīng)注意加強(qiáng)排水。鋼筋拱架可根據(jù)實(shí)際開挖斷面的量測數(shù)據(jù)現(xiàn)場制作,采用單層或雙層鋼筋拱架,也可以單、雙層間隔使用,鋼筋直徑以20~36mm比較合適。系統(tǒng)連接錨桿利用頂拱圍巖系統(tǒng)砂漿錨桿,將其外露部分與鋼拱架焊接,以起到固定拱架和聯(lián)合受力的作用。局部固定錨筋主要包括施工用固定插筋和鎖腳錨桿或錨索等;或在鋼筋拱架端部圍巖區(qū)開挖形成小拱座,以輔助支撐拱架。肋拱厚度的設(shè)計(jì),筆者結(jié)合錦屏一級地下廠房洞室群支護(hù)設(shè)計(jì)的實(shí)踐和現(xiàn)場觀察到的效果,建議單層拱鋼筋拱架以20~30mm比較合適,雙層以30~40mm要好一些。具體設(shè)計(jì)時(shí)還要充分考慮洞室的規(guī)模和地質(zhì)條件,結(jié)合現(xiàn)場施工水平選擇合適的參數(shù)。

噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)施工過程為:系統(tǒng)砂漿錨桿安裝→初噴混凝土(厚度約5cm)→鋼拱架現(xiàn)場制作→鋼拱架安裝→鎖腳處理→分序施噴混凝土→質(zhì)量評定與修補(bǔ)。當(dāng)采用雙層鋼拱架時(shí),應(yīng)分層安裝,分層施噴,分層厚度以15~20cm為宜。分序施噴混凝土?xí)r,應(yīng)以5cm厚度分序,在上一序達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)再施噴下一序。實(shí)際施工時(shí)需要做好系統(tǒng)錨桿和鋼拱架之間的焊接連接,以及保證施噴混凝土的密實(shí)性,確保肋拱質(zhì)量和工程安全。

值得注意的是,每一個(gè)具體的洞室或洞室群,總是賦存于特定的地質(zhì)環(huán)境中,洞室的穩(wěn)定受到特殊地質(zhì)條件(諸如地應(yīng)力、巖性、地下水、斷層以及節(jié)理裂隙等)、洞線布置和洞室開挖規(guī)模等眾多因素的控制,圍巖穩(wěn)定收斂過程十分復(fù)雜,支護(hù)系統(tǒng)的力學(xué)狀態(tài)差異很大。因此,在噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)和施工過程中,要充分考慮洞室所處的實(shí)際地質(zhì)環(huán)境。一般情況下,地應(yīng)力、巖石力學(xué)性能、斷層和節(jié)理裂隙、地下水等在空間上都存在較明顯的變異性,分布很不均勻,容易在洞室頂拱形成不對稱受力狀態(tài),產(chǎn)生偏壓現(xiàn)象。容易理解,在頂拱部位的拱腳應(yīng)力比較集中,當(dāng)洞室高度相對較大時(shí),集中區(qū)域具有向拱弧上移的趨勢。為了克服這種對圍巖穩(wěn)定十分不利的力學(xué)狀態(tài),肋拱設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)固腳設(shè)計(jì),可采用鎖腳錨桿或錨筋束,也可用錨索或錨梁等,必要時(shí)可將拱腳開挖輪廓線設(shè)計(jì)為斜面以支撐頂拱壓力。當(dāng)偏壓現(xiàn)象比較嚴(yán)重時(shí),宜對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定影響較大一側(cè)的拱弧至拱腳部位適當(dāng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),如加密系統(tǒng)連接錨桿、增加局部加強(qiáng)錨索或錨梁,使肋拱受力達(dá)到均衡狀態(tài)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

錦屏一級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于壩區(qū)右岸,地下廠區(qū)洞室群規(guī)模巨大,主要由引水洞、地下廠房、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成,三大洞室平行布置。地下廠房位于大壩下游約350m的山體內(nèi),水平埋深約110~300m,垂直埋深約180~350m。廠房軸線NW65°,廠內(nèi)安裝6臺600MW機(jī)組,廠房全長276.99m,吊車梁以下開挖跨度25.60m,以上開挖跨度28.90m,開挖高度68.80m;其中主機(jī)間尺寸為204.52m×25.90m×68.80m(長×寬×高)。主變室位于主廠房下游,頂拱中心線與主廠房軸線間距67.35m,長197.10m,寬19.30m,高32.70m。設(shè)置兩個(gè)圓形尾水調(diào)壓室,采用“三機(jī)一室一洞”布置型式。

3.2 工程地質(zhì)條件

廠區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜,涉及巖性為雜谷腦組第二段第2、3、4層大理巖夾綠片巖,圍巖類別以Ⅲ1類為主,飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb為60~75MPa。巖體強(qiáng)度應(yīng)力比(Rc/σmax)為1.5~4,屬于極高~高地應(yīng)力區(qū)域??裳须A段測試成果顯示,地下廠區(qū)最大主應(yīng)力σ1=20~35.7MPa,σ2=10~20MPa,σ3=4~12MPa。σ1的方向介于N28.5°W~N71°W之間,平均N48.7°W,σ1傾角約20°~50°,平均傾角34.2°。

地下廠區(qū)主要發(fā)育有NE向的f13、f14、f18三條斷層,較規(guī)模大,斷層走向與廠房軸線約呈45°角;與f18斷層相伴發(fā)育有灰綠色云斜煌斑巖脈(X),分布于主廠房空調(diào)機(jī)房、第一副廠房、主變室及尾水調(diào)壓室等位置,一般寬2~3m,局部達(dá)7m,大多巖性較差,屬Ⅳ~Ⅴ類巖體。此外還有NEE~EW向和NW~NWW向的小斷層,以及四組主要節(jié)理裂隙:①N40°~60°E,NW∠25°~35°;②N50°~70°E,SE∠50°~80°;③N50°~70°W,NE(SW)∠80°~90°;④N25°~40°W,NE(SW)∠80°~90°。地下水較活躍,特別是斷層附近多表現(xiàn)為滲水、滴水,甚至涌水。

3.3 肋拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廠區(qū)特殊的地質(zhì)條件給洞室群開挖支護(hù)設(shè)計(jì)和施工等帶來了很大的困難。為了滿足洞室開挖后圍巖穩(wěn)定的要求,同時(shí)方便現(xiàn)場施工、及時(shí)支護(hù),針對頂拱部位斷層主錯(cuò)帶及影響帶范圍,采用了噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

f13斷層斜穿過廠房安裝間部位,斷層帶起伏,主錯(cuò)帶寬1~2m,最寬達(dá)3m,主要由碎裂巖、角礫巖、糜棱巖構(gòu)成,膠結(jié),擠壓緊密,多強(qiáng)風(fēng)化。斷層下盤影響帶寬約1~3m,破碎,呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),但嵌合緊密;上盤影響帶寬10~20m,受斷層及地下水影響,帶內(nèi)裂面普遍強(qiáng)烈銹染。該斷層對安裝間洞室穩(wěn)定十分不利,影響范圍較大。斷層主錯(cuò)帶為Ⅴ類圍巖,影響帶區(qū)域主要為Ⅳ類圍巖,局部為Ⅲ2類圍巖。頂拱開挖支護(hù)設(shè)計(jì)中采用了雙層噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu),肋拱厚度50cm(內(nèi)層30cm,外層20cm),榀距1.6~2.0m。內(nèi)層采用雙向布筋,鋼筋直徑為20mm(沿廠房軸線方向)和25mm(洞室剖面方向);外層采用單向布筋,鋼筋直徑為36mm(洞室剖面方向),通過連接筋與內(nèi)層焊接?,F(xiàn)場施工次序?yàn)椋撼鯂?~8cm鋼纖維混凝土→系統(tǒng)錨桿→鋼筋肋拱制作與安裝→按照設(shè)計(jì)要求分序施噴混凝土。圍巖安全監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,支護(hù)效果良好,圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài),也鮮見明顯的表面噴層裂縫出現(xiàn)。相鄰肋拱之間噴混凝土厚度由圓弧線過渡。

f14斷層穿過廠房主機(jī)間、主變室以及1號尾水調(diào)壓室等洞室。斷層帶起伏,總體產(chǎn)狀N60°~70°E/SE∠70°~80°,破碎帶寬度0.2~3.5m。上、下盤影響帶寬度一般3~5m,局部近20 m,風(fēng)化較強(qiáng),巖體呈黃色。f18斷層沿后期侵入的煌斑巖脈和大理巖的接觸面發(fā)育,大角度斜穿河床延至右岸,產(chǎn)狀N70°E /SE∠70°~80°,帶寬20~40cm,主要由灰黑色糜棱巖、角礫巖組成。后期侵入的煌斑巖脈,產(chǎn)狀N60°~75°E/SE∠60°~75°,脈厚一般2~4m,在頂拱形狀不規(guī)則,局部僅厚5~80cm,且不連續(xù)。斷層主錯(cuò)帶和煌斑巖脈帶為Ⅴ類圍巖,影響帶區(qū)域主要為Ⅳ類圍巖,局部為Ⅲ2類圍巖。f14斷層、f18斷層及煌斑巖脈對主廠房和主變室的洞室穩(wěn)定有很大影響,開挖支護(hù)設(shè)計(jì)同樣采用了噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)。主廠房f14斷層帶采用雙層鋼筋肋拱,內(nèi)外層鋼筋之間通過連接筋相互焊接,同時(shí)與頂拱系統(tǒng)錨桿焊接;肋拱厚度40cm(內(nèi)層20cm,外層20cm),間距1.2~1.5m,鋼筋直徑36mm;根據(jù)斷層主錯(cuò)帶寬度相對較小、影響帶內(nèi)巖體質(zhì)量稍差的特點(diǎn),肋拱與肋拱之間沒有布置水平連接筋。主變室f14斷層帶和f18斷層帶與煌斑巖脈部位均采用單層肋拱,厚度20cm,間距1.5m,鋼筋直徑36mm。

應(yīng)該關(guān)注的是,受地應(yīng)力和巖層產(chǎn)狀等因素的影響,主廠房f14斷層范圍內(nèi)的肋拱下游拱弧至拱腳部位出現(xiàn)了規(guī)模性裂縫,鋼筋內(nèi)鼓,裂縫長達(dá)1~3m,寬約1~10cm,局部深度達(dá)5~10cm以上,十分發(fā)育。通過深入分析認(rèn)為,這種現(xiàn)象與主應(yīng)力和巖層產(chǎn)狀的方向性密切相關(guān),屬于典型的偏壓現(xiàn)象。為了保證圍巖穩(wěn)定和肋拱結(jié)構(gòu)安全,施工中在下游拱腳和拱弧部位進(jìn)行了錨梁加固。錨梁為局部加強(qiáng)小噸位錨索+鋼板梁的復(fù)合支撐結(jié)構(gòu),利用錨梁將相互獨(dú)立的肋拱連接成整體受力結(jié)構(gòu),提高了強(qiáng)度和剛度。

4 結(jié)束語

噴射混凝土鋼筋肋拱支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種新型的地下洞室頂拱支護(hù)形式,特別適用于大中型地下洞室或地質(zhì)條件比較差的洞段。由筆者參與設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)工程實(shí)踐證明,鋼筋肋拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,投資節(jié)省,施工方便,能快速及時(shí)地提供圍巖側(cè)向壓力,支護(hù)效果良好,有利于洞室穩(wěn)定,在特定條件下可替代鋼筋混凝土襯砌。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程中,要充分考慮各種外部因素,包括地質(zhì)水文條件,制定完善的噴射混凝土施工工藝,深入分析洞室受力特點(diǎn),加強(qiáng)監(jiān)測資料反饋分析等,做到具體情況具體設(shè)計(jì),保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理,施工質(zhì)量可靠。

[1] 侯建華,錢繼源.大朝山水電站地下廠房開挖與支護(hù)施工技術(shù)[J].浙江水利科技,2005(5):56-59.

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