負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁及圍巖穩(wěn)定的影響

甘孝清，楊洪濤，譚 勇

（1.長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北 武漢 430010；2.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

0 引 言

大型水電站地下廠房橋式起重機(jī)的試運(yùn)行驗(yàn)收是整個(gè)起重設(shè)備安裝工程的關(guān)鍵步驟，也是其日后正常安全運(yùn)行的重要保證。在起重機(jī)的試運(yùn)行過程中應(yīng)開展巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)，按照一定的加荷方式施加吊車荷載。橋式起重機(jī)的吊車輪壓荷載通過軌道傳遞給巖錨梁，再由懸吊錨桿和梁底巖臺(tái)傳遞到洞室圍巖。因此，負(fù)荷試驗(yàn)所有的外加荷載及橋式起重機(jī)的自重荷載均由地下廠房圍巖承擔(dān)。為了解巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁及地下廠房圍巖穩(wěn)定的影響，一般要求在試驗(yàn)過程中對地下廠房巖錨梁的結(jié)構(gòu)受力、圍巖變形及圍巖支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行同步安全監(jiān)測，利用監(jiān)測成果分析評價(jià)巖錨梁的工作性狀與地下廠房圍巖的穩(wěn)定性。本文以湖北白蓮河抽水蓄能電站工程為例，研究負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁及地下廠房圍巖穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況與試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 工程概況

湖北白蓮河抽水蓄能電站地下廠房開挖尺寸為146.40 m×21.85 m×50.88 m （長×寬×高）。 地下廠房地面高程為250.00～307.00 m，頂拱鉛直埋深155.00～212.00 m。地表基巖裸露，弱風(fēng)化巖石下限埋深10～15 m。地下廠房圍巖主要為新鮮灰白色花崗巖，少量為肉紅色花崗巖，影響廠房地質(zhì)條件主要有F28及F8斷層。除F8斷層帶以外，地下廠房工程地質(zhì)條件較好。

地下廠房巖錨梁頂面高程67.500 m，截面尺寸見圖1。廠房內(nèi)布置了1臺(tái)2×3 000 kN/500 kN/100 kN、跨度為20.5 m的雙小車吊鉤橋式起重機(jī)。正常使用時(shí)，橋機(jī)的小車1和小車2吊鉤最小間距為3 850 mm，可以單獨(dú)使用也可聯(lián)合使用，橋機(jī)最大額定載荷為6 000 kN。

圖1 巖錨梁、吊車示意 （單位：mm）

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)包括空載全程試驗(yàn)和75%、100%、110%額定荷載全程試驗(yàn)以及125%額定荷載靜載試驗(yàn)。考慮到巖錨梁及圍巖監(jiān)測儀器數(shù)量較多，觀測時(shí)間較長，增加100%額定荷載全程靜載試驗(yàn)，即橋機(jī)在巖錨梁全程范圍內(nèi)依次停靠，小車在上、中、下游側(cè)往返運(yùn)行，獲取每次停靠時(shí)的儀器測值。大車、小車行駛方向及停靠點(diǎn)見圖2。

圖2 大、小車行駛方向及停靠點(diǎn)

2 巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)同步監(jiān)測

2.1 監(jiān)測原則

地下廠房圍巖以及巖錨梁布置了大量的安全監(jiān)測儀器，對施工期和運(yùn)行期圍巖的穩(wěn)定以及巖錨梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)期間可借助這些儀器進(jìn)行同步監(jiān)測。考慮到負(fù)荷試驗(yàn)期間安全監(jiān)測儀器未接入自動(dòng)化采集系統(tǒng)，仍以人工觀測為主，無法做到每級荷載試驗(yàn)都進(jìn)行全斷面觀測，尤其是動(dòng)荷載試驗(yàn)期間，橋機(jī)運(yùn)行不能停下來。因此，只能有針對性地挑選一些有代表性的儀器進(jìn)行監(jiān)測，并保證在靜載試驗(yàn)期間盡可能多地選擇儀器進(jìn)行觀測。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)同步監(jiān)測包括巖錨梁監(jiān)測和地下廠房圍巖監(jiān)測。巖錨梁同步監(jiān)測項(xiàng)目為承拉和承壓錨桿應(yīng)力、梁體與圍巖接觸變形、梁體水平位移與垂直位移。地下廠房圍巖同步監(jiān)測項(xiàng)目為圍巖支護(hù)錨桿應(yīng)力、巖體變形、格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力和錨索錨固力。

3 負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁的影響

3.1 承拉和承壓錨桿應(yīng)力

在各級試驗(yàn)加載條件下，當(dāng)橋機(jī)大車行至監(jiān)測斷面附近時(shí)，會(huì)引起巖錨梁承拉和承壓錨桿應(yīng)力的增加，巖錨梁承拉和承壓錨桿的應(yīng)力最大增幅參見表1。由表1可知，試驗(yàn)荷載越大，錨桿應(yīng)力增加越大。其中，110%額定荷載條件下最大增幅19.58 MPa。雖然負(fù)荷試驗(yàn)使錨桿平均應(yīng)力增加了2～10 MPa，但對錨桿總應(yīng)力的影響較小，最大錨桿應(yīng)力仍小于150 MPa，低于錨桿允許應(yīng)力。同一大車停靠點(diǎn)，小車停靠在近上游側(cè)巖錨梁與停靠在近下游側(cè)兩種不同工況下，巖錨梁錨桿應(yīng)力相差一般在0～4.00 MPa。

橋機(jī)荷載對巖錨梁錨桿應(yīng)力有一定的作用影響范圍，各種加載條件下的影響范圍見表2。在影響范圍內(nèi)，當(dāng)橋機(jī)駛向監(jiān)測斷面時(shí)，錨桿應(yīng)力逐漸增加，至監(jiān)測斷面時(shí)增加至最大；當(dāng)橋機(jī)駛離監(jiān)測斷面時(shí)，錨桿應(yīng)力逐漸減少，直至恢復(fù)加載前的狀態(tài)。

表1 巖錨梁承拉和承壓錨桿的應(yīng)力增幅 MPa

表2 橋機(jī)荷載對巖錨梁錨桿應(yīng)力影響范圍 m

3.2 梁體與圍巖接觸變形

橋機(jī)停靠前后，巖錨梁測縫計(jì)實(shí)測梁體與圍巖接觸變形較小，小車停靠在上游側(cè)時(shí)的測值見表3。從表3可知，變形最大值僅為0.15 mm。同一大車停靠點(diǎn)，小車停靠在近上游側(cè)巖錨梁與停靠在近下游側(cè)兩種不同工況下，巖錨梁與圍巖結(jié)合面接觸縫開度變化差值約0.04～0.08 mm。總體而言，負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁梁體與圍巖的接觸變形影響非常小。

3.3 梁體水平位移與垂直位移

梁體水平位移與垂直位移監(jiān)測僅在100%額定荷載全程靜載試驗(yàn)中進(jìn)行。在其他加載條件下，橋機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無法完成水平位移和垂直位移監(jiān)測。水平位移采用無接觸式收斂法進(jìn)行觀測，垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法進(jìn)行觀測。監(jiān)測結(jié)果表明，100%額定荷載全程靜載試驗(yàn)條件下，橋機(jī)停靠在廠0+86、廠0＋96和廠0＋120等3個(gè)不同部位時(shí)的上、下游側(cè)巖錨梁收斂變形測值分別為0.9、1.9 mm和1.2 mm，上游側(cè)梁體垂直位移分別是0.5、0.7 mm和0.4 mm，下游側(cè)梁體垂直位移分別是0.4、0.4 mm和0.3 mm。負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁梁體位移影響非常有限。另外，從外觀檢查來看，巖錨梁無新增裂縫，原有裂縫無擴(kuò)展趨勢，巖錨梁與巖體結(jié)合緊密。

表3 巖錨梁測縫計(jì)實(shí)測梁體與圍巖接觸變形 mm

4 負(fù)荷試驗(yàn)對圍巖穩(wěn)定的影響

4.1 圍巖變形

地下廠房圍巖變形由埋設(shè)在頂拱和邊墻部位的多點(diǎn)位移計(jì)測得。負(fù)荷試驗(yàn)前，地下廠房圍巖變形已基本趨于穩(wěn)定。巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)各級荷載條件下，地下廠房圍巖變形測值變化均較小，橋機(jī)停靠前后測值變化約為-0.05～0.1 mm，無明顯的規(guī)律性，測值變化與荷載大小無明顯正相關(guān)性。巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)對電站地下廠房的圍巖變形影響非常小。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

頂拱圍巖大部分錨桿應(yīng)力和大部分格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力測值變化很小，僅在F8斷層帶內(nèi)少量觀測儀器測值略有變化。其中，橋機(jī)停靠前后錨桿應(yīng)力最大變量為5.60 MPa；巖錨梁以下邊墻圍巖內(nèi)錨桿應(yīng)力變化量約為0～3.35 MPa；安裝在格構(gòu)梁端頭聯(lián)系梁內(nèi)的錨索錨固力變化不大，其值在－6.0～8.0 kN范圍內(nèi)波動(dòng) （平均錨索錨固力約1 100 kN）。同一大車停靠點(diǎn)，小車停靠在近上游側(cè)與停靠在近下游側(cè)兩種不同工況下，圍巖錨桿應(yīng)力相差約1～2 MPa。

支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化一定程度上反映了圍巖巖體應(yīng)力變化。從監(jiān)測結(jié)果可以看出，試驗(yàn)荷載對圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和圍巖巖體應(yīng)力存在一定的影響，但影響幅度較小，約為2%～5%。

4.3 格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力

地下廠房格構(gòu)梁專為F8斷層頂拱支護(hù)設(shè)置，頂拱圍巖的微小變形均會(huì)引起格構(gòu)梁鋼筋的應(yīng)力變化。隨著地下廠房的逐層開挖，頂拱圍巖變形逐步增加，導(dǎo)致格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力增加，至橋機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，最大鋼筋拉應(yīng)力已增至65 MPa，最大鋼筋壓應(yīng)力已增至54 MPa。橋機(jī)停靠前后，格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力變化量最大為3.48 MPa。同一大車停靠點(diǎn)，小車停靠在近上游側(cè)巖錨梁與停靠在近下游側(cè)兩種不同工況下，格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力的最大差值為2.21 MPa。

5 結(jié) 語

通過同步監(jiān)測的成果，分析了白蓮河抽水蓄能電站巖錨梁負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁及地下廠房圍巖穩(wěn)定的影響，可得出如下結(jié)論：

（1）負(fù)荷試驗(yàn)的各級荷載會(huì)引起巖錨梁承拉和承壓錨桿應(yīng)力增加，但增加幅度較小，這與圍巖質(zhì)量、錨桿和巖錨梁施工質(zhì)量等眾多因素有關(guān)。

（2）負(fù)荷試驗(yàn)對巖錨梁梁體與圍巖的接觸變形，以及梁體水平位移與垂直位移的影響均較小。

（3）負(fù)荷試驗(yàn)對地下廠房圍巖穩(wěn)定的影響非常小，圍巖變形基本不變，巖體應(yīng)力稍有增加。

（4）負(fù)荷試驗(yàn)引起的錨桿應(yīng)力、巖體應(yīng)力、接觸變形以及梁體位移等變化，在卸荷后或者橋機(jī)駛出影響范圍后均能恢復(fù)至試驗(yàn)前的狀態(tài)。

［1］ GB 50278—98 起重設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.