姚德生 周宏民 張忠輝

巖壁吊車梁是用長(zhǎng)錨桿將鋼筋混凝土梁錨固在巖石上的結(jié)構(gòu)，近年來廣泛應(yīng)用于水電站地下廠房中。巖壁吊車梁可以充分利用洞室圍巖的承載力，省去吊車支撐柱，吊車荷載由巖壁吊車梁直接傳遞到洞室兩側(cè)的圍巖上，從而節(jié)省鋼筋及混凝土的用量；由于廠房?jī)?nèi)不設(shè)支撐柱，可以減小地下廠房的跨度，不僅可以節(jié)省開挖工程量，而且對(duì)圍巖的整體穩(wěn)定性也是十分有利的；另外，在洞室開挖初期即可澆筑吊車梁，可以提前安裝橋式吊車，先期投入使用。

1 工程概況

巴基斯坦蘇基克納里（SK）水電站位于巴基斯坦開伯爾-普什圖省的昆哈（Kunhar）河上，是一座高水頭長(zhǎng)隧洞引水式水電站。電站裝機(jī)容量874 MW，地下廠房埋深約430 m，主廠房軸線為NW355°，主洞室尺寸為134.6 m×28.6 m×54.6 m（長(zhǎng)×寬×高）安裝4 臺(tái)沖擊式機(jī)組。地下廠房采用兩臺(tái)250 t 橋機(jī)。橋機(jī)型號(hào)為250 t+250 t/50 t，吊車梁采用巖壁吊車梁型式。

地下廠房圍巖巖性主要為變質(zhì)含礫巖屑石英砂巖（MPLQS）與變質(zhì)砂質(zhì)礫巖（MSB）互層，以及少量變質(zhì)玄武巖（MB）。其中變質(zhì)含礫巖屑石英砂巖和變質(zhì)砂質(zhì)礫巖中有炭質(zhì)片巖（C.Sch）夾層。炭質(zhì)片巖（C.Sch）強(qiáng)度較低屬軟巖，片理發(fā)育，厚度3～4 m，局部達(dá)8～15 m。巖體產(chǎn)狀整體走向?yàn)镹W 向，傾向?yàn)镹E 向，傾角以40°～75°。Q 系統(tǒng)分類法評(píng)定的圍巖類別以Q2a類為主，部分為Q2及Q3，少量Q4。炭質(zhì)片巖出露部位圍巖類別以Q3為主，其中下游邊墻中下部受母線洞和尾水洞的影響、右端墻受交通洞的影響，炭質(zhì)片巖出露部位圍巖類別主要為Q4。

廠房區(qū)OBE 地震加速度0.25g，MDE 地震加速度為0.36g。

2 巖壁吊車梁設(shè)計(jì)

巖壁吊車梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，按分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。巖壁吊車梁錨固應(yīng)力包括荷載應(yīng)力和釋放應(yīng)力。設(shè)計(jì)宜采取措施降低錨桿的綜合應(yīng)力以及減小對(duì)淺表圍巖的不利影響。

2.1 巖壁吊車梁尺寸擬定

參考國(guó)內(nèi)外已建工程的巖壁吊車梁設(shè)計(jì)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮電站地質(zhì)條件、橋機(jī)尺寸以及主廠房尺寸等各種因素，初擬吊車梁截面尺寸，受拉受壓錨桿的直徑、間距以及在剖面上的位置、巖壁與鉛錘面的夾角等基本參數(shù)。吊車梁結(jié)構(gòu)及支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 吊車梁結(jié)構(gòu)及支護(hù)斷面圖（單位：cm）

2.2 巖壁吊車梁荷載

2.2.1 橋機(jī)一側(cè)軌道單個(gè)最大輪壓

根據(jù)廠家提供資料，橋機(jī)單個(gè)最大輪壓為480 kN。

2.2.2 單位梁長(zhǎng)豎向輪壓

當(dāng)單臺(tái)橋機(jī)一側(cè)作用8 個(gè)輪子時(shí)，單位梁長(zhǎng)豎向輪壓標(biāo)準(zhǔn)值Fvk可按下式計(jì)算，取Fvk1和Fvk2的較大值。如圖2 所示。

圖2 輪壓分布圖

2.2.3 單位梁長(zhǎng)吊車橫向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值單位梁長(zhǎng)吊車橫向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算

2.2.4 地震荷載

根據(jù)規(guī)范，當(dāng)?shù)卣鹪O(shè)計(jì)烈度為9 度及以上的巖壁吊車梁應(yīng)考慮地震荷載的作用。根據(jù)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)的會(huì)議精神，地下廠房處的當(dāng)?shù)氐卣鸺铀俣热?.36g，若埋深大于50 m 時(shí)，地震加速度系數(shù)需折減，折減系數(shù)為0.5。因此，巖壁吊車梁處計(jì)算的地震加速度系數(shù)取0.36g×0.5=0.18g。水平及豎直方向地震荷載分別為：

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）單位梁長(zhǎng)巖壁吊車梁受拉錨桿截面面積（如圖3 所示），應(yīng)滿足下列條件：

圖3 巖壁吊車梁載面圖

（2）巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算：

2.4 受拉錨桿在穩(wěn)定巖體內(nèi)錨桿長(zhǎng)度計(jì)算

受拉錨桿在穩(wěn)定巖體內(nèi)錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合下列規(guī)定：

2.5 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算復(fù)核，上排抗拉鋼筋采用Φ32@750 mm，PSB785；下排受壓鋼筋采用Φ29@750 mm，PSB785；預(yù)應(yīng)力錨索采用7 股鋼絲L=20 m，T=1 100 kN，間距1 500 mm。錨桿的錨固長(zhǎng)度為：在Q2a圍巖中錨桿深入穩(wěn)定巖石內(nèi)的錨固長(zhǎng)度為6.5 m；在Q3類圍巖內(nèi)錨桿深入穩(wěn)定巖石內(nèi)的長(zhǎng)度為7.0 m，若圍巖條件較差應(yīng)對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理。巖壁吊車梁每隔20 m 左右設(shè)1 道伸縮縫，伸縮縫兩側(cè)各增設(shè)兩根加強(qiáng)錨桿。

3 不良地質(zhì)條件的處理

巖壁吊車梁在施工過程中，遇到破碎軟弱夾層。為保證巖壁吊車梁的安全，采用置換回填混凝土的措施，對(duì)破碎的軟弱夾層進(jìn)行了處理。置換的回填混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于30 MPa。置換的混凝土與巖石間設(shè)置砂漿錨桿進(jìn)行錨固，針對(duì)不同范圍的軟弱破碎帶處理措施如圖4、圖5 所示。對(duì)于Q4類圍巖及破碎巖體，應(yīng)設(shè)施工監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖4 軟弱破碎帶尺寸小于6 m時(shí)處理示意圖

圖5 軟弱破碎帶加強(qiáng)錨固處理示意圖

4 監(jiān)測(cè)成果

該水電站巖壁吊車梁于2019 年7 月施工完成并安裝了錨桿應(yīng)力計(jì)對(duì)錨桿應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，錨桿大多處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力值約3 kN。經(jīng)分析，上部錨桿處于受壓狀態(tài)是由于中間的預(yù)應(yīng)力錨索原因。預(yù)應(yīng)力錨索施加的應(yīng)力導(dǎo)致吊車梁與圍巖之間的擠壓，擠壓應(yīng)力傳導(dǎo)至上部錨桿，而致其產(chǎn)生壓應(yīng)力。2020 年初的突然產(chǎn)生的拉應(yīng)力是由于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊車梁試驗(yàn)及吊車運(yùn)輸設(shè)備引起的。

5 結(jié) 語

巖壁吊車梁由于其特定的優(yōu)越性，越來越廣泛的用于地下廠房。在巖壁吊車梁的設(shè)計(jì)過程中，建議采用剛體極限平衡法初估吊車梁的斷面尺寸和參數(shù)，同時(shí)應(yīng)考慮圍巖釋放應(yīng)力、地質(zhì)條件以及地震的影響。

巖壁吊車梁對(duì)圍巖地質(zhì)條件的要求比較高，若遇到不良地質(zhì)條件應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)處理，并做好監(jiān)測(cè)。本工程采用置換回填混凝土的措施，并加強(qiáng)兩側(cè)的砂漿錨桿，對(duì)破碎的軟弱夾層進(jìn)行了處理，取得了良好的效果。

本工程巖壁吊車梁與其他工程巖壁吊車梁的區(qū)別在于，本工程除了設(shè)置上部受拉錨桿還設(shè)置水平的預(yù)應(yīng)力錨索。預(yù)應(yīng)力錨索可以有效地減緩受拉錨桿的作用，提高巖壁吊車梁的安全度，同時(shí)兼做廠房圍巖支護(hù)的一部分，可減少支護(hù)量。