地下廠房巖錨梁裂縫成因分析及處理

龔少紅 鄧 瞻 張恩寶

0 引言

官地水電站巖錨梁在廠房第四層開挖完成后澆筑，在其下部廠房邊墻開挖及機(jī)組段大體積混凝土澆筑初期，梁體出現(xiàn)了水平向和鉛直向裂縫，局部區(qū)域梁體與圍巖出現(xiàn)了脫開的縱向裂縫。巖錨梁混凝土裂縫的出現(xiàn)，會大大削弱其整體性，對結(jié)構(gòu)安全較為不利。本文結(jié)合官地電站地下廠房巖錨梁裂縫實(shí)例，從地質(zhì)條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)等多個角度，分析裂縫形成機(jī)制，提出了裂縫處理措施。

1 地下廠房簡介

官地水電站地下洞室群規(guī)模巨大，主要由引水洞、主廠房、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成。主廠房、主變室、尾調(diào)室三大洞室平行布置，軸線方向N5°E。主廠房全長243.44 m，吊車梁以上開挖跨度31.10 m，以下開挖跨度29.00 m，開挖高度76.30 m。

廠房區(qū)最大主應(yīng)力σ1方向?yàn)镹27.3°～ 53°W，平均值N35.4°W，最大主應(yīng)力量級25.0 MPa～35.17 MPa。廠房軸線與廠區(qū)孔徑法實(shí)測最大主應(yīng)力(σ1)方向平均值的夾角40.4°。

根據(jù)地下洞室群開挖順序及支護(hù)參數(shù)研究成果，地下廠房共分11層進(jìn)行開挖，主變室共分4層進(jìn)行開挖。

2 巖錨梁裂縫介紹

官地地下廠房巖錨梁頂寬2.25 m，高3.18 m，總長226.42 m。巖錨梁壁座角為35°。巖錨梁體型范圍內(nèi)布設(shè)兩排受拉錨桿、一排系統(tǒng)錨桿和一排受壓錨桿。受拉錨桿均采用長12 m@70 cm的φ40Ⅲ級精軋螺紋鋼筋，入巖9.7 m，靠近巖壁的1.5 m范圍內(nèi)涂抹瀝青。上排受拉錨桿上傾角25°，下排受拉錨桿上傾角20°。系統(tǒng)錨桿采用長9 m@150 cm的φ32Ⅱ級鋼筋，水平入巖7.5 m。受壓錨桿采用長9 m@70 cm的φ32Ⅱ級鋼筋，垂直巖面入巖7.5 m。在巖錨梁上下分別間隔布置了一排1 750 kN和1 500 kN的預(yù)應(yīng)力錨索。

巖錨梁于2008年10月19日進(jìn)行第一倉混凝土澆筑，至12月10日巖錨梁混凝土澆筑全部完成。2010年2月中旬廠房基坑開挖完成，1號機(jī)組錐管混凝土澆筑完成后檢查發(fā)現(xiàn)在上游巖錨梁出現(xiàn)多處裂縫。上游巖錨梁頂部平臺裂縫的延伸長度為0.18 m～1.9 m，其中有50%的裂縫其延伸長度介于1.5 m～2.0 m之間，另有42%的裂縫延伸長度小于0.5 m。裂縫寬度為0.1 mm～2.5 mm，裂縫寬度小于0.5 mm的占總數(shù)的84%。立面裂縫延伸長度為0.3 m～2.4 m，其中62%的裂縫其延伸長度介于2.0 m～2.5 m之間，另有32%的裂縫其延伸長度小于0.5 m。裂縫分布最集中的部位為廠橫0+088 m～0+076 m一段。

3 裂縫部位地質(zhì)條件

廠房上游邊墻廠橫0+20 m～0+130 m段，主要錯動帶出露12條，組成物質(zhì)均以糜棱角礫巖、壓碎巖、石英為主，力學(xué)類型為巖屑巖塊型。延伸長度從21 m～60 m不等。此段巖體圍巖類別:1 227.0 m高程以上以Ⅲ類為主，局部裂隙密集發(fā)育部位或錯動帶交匯部位，巖體較破碎，1 227.0 m高程以下以Ⅱ類為主。廠房3號，4號機(jī)組上游邊墻存在錯動帶 fx12(N60°-70°W/NE∠70°)，fx22(N30°W/SW ∠65°-70°)，fx11(N35°W/NE ∠75°-80°)，fx23(EW/N∠75°)，fx45(EW/N∠40°-45°)，fxk09(N65°-70°E/SE∠75°-80°)軟弱結(jié)構(gòu)面。自2009年10月份以來，在上游邊墻3號～4號機(jī)組段發(fā)現(xiàn)多處噴層裂縫，巖錨梁上部出現(xiàn)4條噴層裂縫，最長為10.21 m;巖錨梁下部出現(xiàn)4條噴層裂縫，延伸最長的為6.68 m。

3號壓力管道內(nèi)距離廠房上游邊墻12 m～22 m范圍內(nèi)發(fā)育有與廠房邊墻近似平行的高陡傾角結(jié)構(gòu)面，主要包括錯動帶fx3-15和裂隙密集帶N10°W/SW∠70°。錯動帶fx3-15在壓力管道左側(cè)半洞1 195 m高程附近寬度約1 cm～3 cm，延伸至右側(cè)半洞1 195 m高程附近后，漸變?yōu)橐粭l裂隙，裂面可見明顯擦痕，但該條錯動帶在上游邊墻上并未出露。

4 裂縫成因分析

在裂縫密集區(qū)廠橫0+076 m處巖錨梁及其上、下部均布置有監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面的儀器布置見圖1和圖2。儀器編號約定如下:M代表多點(diǎn)位移計(jì)，上標(biāo)4表示四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計(jì)，4個測點(diǎn)的深度為:28.5 m，22.5 m，12.5 m，5.5 m;R3代表錨桿應(yīng)力計(jì);PR代表錨索測力計(jì);下標(biāo)數(shù)值代表監(jiān)測儀器編號，CF代表工程部位，即廠房。

圖1 廠房上游邊墻監(jiān)測儀器布置圖（廠橫0+076 m）

4.1 變形監(jiān)測成果分析

圖3和圖4分別為巖錨梁水平和鉛直變形動態(tài)演化特征曲線，從圖中可以看出:上游吊車梁在廠橫0+60 m～0+120 m水平變形較大，向兩側(cè)呈非對稱減小趨勢，大樁號部位受到安裝間端部約束作用變形相對較小;各部位隨下臥開挖逐漸增大，變形增長大的時段為主廠房第5層～第7層開挖期間。上游吊車梁鉛直向變形在小樁號上抬，大樁號下沉，分界點(diǎn)大致在3號機(jī)組附近，隨廠房下部開挖及4條壓力管道與4尾水洞開挖，沉降和抬升不斷變化，變化較大對應(yīng)7層～11層開挖期。分析表明:隨著主廠房向下開挖，吊車梁產(chǎn)生了水平方向和鉛直方向的不協(xié)調(diào)變形。

圖3 上游吊車梁水平位移沿廠房軸線方向變化圖

圖2 巖錨梁監(jiān)測儀器布置圖（廠橫0+076 m）

圖4 上游吊車梁鉛直位移沿廠房軸線方向變化圖

圖5 錨桿應(yīng)力歷時圖（廠橫0+076 m上游巖錨梁EL1 226.98 m）

4.2 支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測成果分析

圖5和圖6給出了巖錨梁部位錨桿應(yīng)力計(jì)的監(jiān)測值隨時間變化曲線。從2009年2月27日～2009年5月31日，應(yīng)力從47.16 MPa 增加到372.68 MPa，隨后增加幅度明顯較少，入巖 4.0 m的測點(diǎn)錨桿應(yīng)力達(dá)513.2 MPa，已嚴(yán)重超量程(400 MPa)。從2009年3月27日～2009年6月24日，應(yīng)力從25.31 MPa增加到3 259.21 MPa，隨后增加幅度減少，到2009年10月2日達(dá)到369.55 MPa，入巖7.0 m的測點(diǎn)錨桿應(yīng)力達(dá)399 MPa，幾乎達(dá)到量程。錨桿應(yīng)力計(jì)變幅加快的時段與多點(diǎn)位移計(jì)變形加劇時段吻合，出現(xiàn)在第6層開挖的時間內(nèi)。這表明地應(yīng)力較高地下廠房區(qū)，洞室開挖卸荷后，在與不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面共同作用下，圍巖變形由整體巖體卸荷回彈變形轉(zhuǎn)化為巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形。

圖6 錨桿應(yīng)力歷時圖廠橫0+076 m上游吊車梁EL1 226.58 m）

5 裂縫處理

巖錨梁裂縫如不進(jìn)行處理會引起鋼筋的銹蝕，將會降低混凝土的耐久性和抗疲勞能力，從而降低了其整體性，對結(jié)構(gòu)安全不利。因此需要根據(jù)裂縫寬度及深度的不同，對廠房吊車梁上的裂縫進(jìn)行潮濕型改性環(huán)氧樹脂注漿處理。具體措施如下:

1)對寬度小于0.2 mm的一般淺表性裂縫，利用混凝土表層微細(xì)獨(dú)立裂縫或網(wǎng)狀裂縫的毛細(xì)作用吸收具有良好滲透性的潮濕型改性環(huán)氧樹脂(注射劑)，進(jìn)行表面封閉。

2)對寬度大于0.2 mm的淺表型裂縫及所有貫穿性裂縫，采用潮濕型改性環(huán)氧樹脂進(jìn)行壓力注漿處理。壓力注漿前，對裂縫周邊進(jìn)行密封，可在構(gòu)件表面沿裂縫走向騎縫鑿出槽深和槽寬分別不小于20 mm和15 mm+5t(t為裂縫最大寬度)的U形槽，然后用改性環(huán)氧樹脂充填并粘貼復(fù)合材料封閉其表面。

3)巖錨梁與圍巖的鉛直接觸面進(jìn)行潮濕型改性環(huán)氧樹脂注漿處理。

6 結(jié)語

官地水電站巖錨梁建造后在后續(xù)洞室開挖卸荷作用下，圍巖產(chǎn)生非均勻變形，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，是引起混凝土發(fā)生裂縫的主要因素。通過對裂縫采用化學(xué)灌漿措施處理可滿足巖錨梁穩(wěn)定性和安全性要求。

[1]雅礱江官地水電站主廠房圍巖穩(wěn)定及上游巖錨梁安全穩(wěn)定評價(jià)報(bào)告[R］.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，長江水利委員會長江科學(xué)院，2010:6.

[2]官地引水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)報(bào)告[R］.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2007.

[3]雅礱江官地水電站地下廠房洞室群施工期快速監(jiān)測與反饋分析[R］.長江水利委員會長江科學(xué)院，2009:6.