錨索預應力損失對洞室穩定性的影響研究

譚 可 奇，　程 麗 娟

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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錨索預應力損失對洞室穩定性的影響研究

譚 可 奇，程 麗 娟

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站地下廠房1～4#母線洞在廠房持續下挖期間均出現了多條環向裂縫，其中4#母線洞底板距下游邊墻6 m處裂縫寬度達到3～4 cm，同時4#母線洞底板下部1 470 m高程多點位移計變形速率未收斂。現場檢查發現母線洞底板下方的預應力錨索桿體在底板出露，說明母線洞底板開挖破壞了底板下方預應力錨索，導致錨索失效。利用地下廠房三維數值模型，對該部位錨索預應力損失的影響進行了研究，研究成果表明：預應力損失程度與圍巖變形呈指數型關系，當預應力損失程度大于60%后圍巖變形急劇增長。根據研究結果，提出了母線洞下部巖體的加強支護措施。

關鍵詞：錨索；預應力損失；洞室穩定性；松弛區；長河壩水電站

1概述

長河壩水電站地下廠房系統布置在壩址區左岸230～430 m山體內，安裝4臺機組，總裝機容量為2 600 MW；廠房尺寸為228.8 m×30.8 m×73.35 m(長×寬×高)，軸線方向為N82°W，主變室、尾水調壓室與廠房平行布置。地下廠房三大洞室巖性單一，以晉寧期-澄江期花崗巖為主，巖體新鮮堅硬，多呈塊狀～次塊狀結構，以Ⅲ～Ⅱ類圍巖為主，巖體完整性總體較好，微新花崗巖飽和單軸抗壓強度為120～140 MPa。廠區實測最大主應力為21.82～31.96 MPa，巖石強度應力比為3.75～6.4，屬于中～高應力區。

開挖初期巖體多嵌合緊密，開挖面總體成型良好，未曾發生過較大規模的失穩現象，僅在個別地段圍巖發生了局部破壞。根據2013年2月現場檢查和變形觀測得知，1#～4#母線洞洞內距廠房下游邊墻5～7 m范圍內出現了不同程度的環向開裂，其中4#母線洞最為嚴重，經清理底板堆渣后發現，底板距廠房下游邊墻6 m位置出現了3～4 cm寬的裂縫，向上延伸至邊墻和頂拱，基本環向貫通。對監測數據進行分析得知：4#母線洞上部1 485 m高程多點位移計累計變形達107.48 mm，4#母線洞下部1 470 m高程多點位移計累計變形達54.67 mm，母線洞上部巖體變形速率趨緩，但母線洞以下巖體變形速率仍較大，其余各洞口監測儀器數值反映情況基本一致(圖1)。現場檢查還發現4#母線洞底板超挖較多，廠房下游邊墻施工的錨索和部分錨桿在母線洞底板出露，說明母線洞底板開挖破壞了底板下方預應力錨索，導致錨索失效。筆者探討了母線洞附近錨索預應力損失對母線洞附近巖體變形的影響，并根據研究結果提出了母線洞附近廠房邊墻巖體的加強支護措施。

(a)剛開挖后未見環向裂縫(2012年3月)

(b)4#母線洞底板巖體裂縫(2013年2月)圖1　現場裂縫照片

2計算模型和參數

在長河壩水電站地下廠房施工背景下，根據相關資料，建立了三維有限元模型，洞室群整體模型及錨索支護模型見圖2，計算參數見表1。

表1　計算參數表

圖2　地下廠房洞室群三維模型及錨索支護系統示意圖

3錨索預應力損失對圍巖變形的影響

3.1錨索不同預應力損失下母線洞附近巖體水平位移分布

根據長河壩工程母線洞附近錨索預應力損失情況，分別對預應力損失為20%、40%、60%、80%、90%、100%的工況進行了有限元模擬，進而分析其對母線洞附近巖體水平位移的影響。不同預應力工況下母線洞附近巖體最大水平位移計算結果見圖3，圖4為錨索預應力損失90%時邊墻巖體的水平位移云圖。

由圖3可以看出，隨著錨索預應力損失率的增加，母線洞附近巖體水平位移逐漸增大，當預應力損失率小于60%時，預應力損失率對巖體最大水平位移影響很小；當預應力損失率大于60%時，水平位移突然大幅度上升。由此可見：母線洞附近巖體最大水平位移和預應力損失率呈以下冪指數關系：

(1)

式中Uh為最大水平位移；ΔP為錨索預應力損失率。

3.2錨索不同預應力損失下母線洞附近巖體豎向位移分布

圖3　不同預應力工況下母線洞附近巖體最大水平位移示意圖

圖4　錨索預應力損失90%時巖體水平位移示意圖

圖5為不同預應力工況下母線洞附近巖體最大豎向位移計算結果，從中可以看出，隨著錨索預應力損失率的增加，母線洞附近巖體豎向位移變化幾乎處于穩定狀態，預應力損失率對母線洞附近豎向位移幾乎沒有影響。

圖5　不同預應力工況母線洞附近巖體最大沉降示意圖

4加強支護措施的討論

由于廠區最大主地應力方向接近垂直于母線洞軸向，在主廠房邊墻開挖卸荷情況下，原始的三向壓縮應力狀態調整為雙向壓縮且其豎向處于加載狀態，形成沿母線洞軸線方向的廣義拉伸應力狀態，因此，從力學角度來講，母線洞容易出現環向裂縫，這一點亦在多個工程中被證實。文中的計算結果也表明：錨索預應力損失程度與巖體水平向變形呈冪指數關系，說明只要增加一定的預應力，巖體變形即可以得到有效控制。因此，采用增加預應力錨索的方式為邊墻巖體提供圍壓，將母線洞附近巖體的應力狀態由開挖后的雙向受壓應力狀態轉變為三向受壓，則可明顯地提高巖體的破壞強度并可控制巖體變形。

最終決定，在主廠房下游邊墻各母線洞底板下部增設錨索，新增錨索參數為預應力設計值T=1 800 kN、L=20 m/T=1 500 kN、L=15 m。

5結語

從文中的計算結果可以看出，母線洞附近巖體的最大水平位移和預應力損失率呈冪指數關系，當預應力損失率大于60%時，水平位移急劇增加；預應力損失率對母線洞附近豎向位移沒有明顯影響，隨著錨索預應力損失率的增加，母線洞附近巖體豎向位移變化幾乎處于穩定狀態。

對于母線洞中的環向裂縫，其本質為廠房下游邊墻巖體雙向受壓引起的張拉開裂，故在廠房下游邊墻母線洞周邊補加預應力錨索即可有效地控制裂縫的進一步發展，使裂縫兩側巖塊形成整體。由于廠房高邊墻中部變形大，對錨索支護力需求高，因此，需要母線洞周邊提供足夠的支護力并重視錨索施工質量。

參考文獻：

[1]GB 50287-2008，水力發電工程地質勘察規范[S].

[2]李寧，孫宏超，姚顯春，等. 地下廠房母線洞環向裂縫成因分析及處理措施[J]. 巖石力學與工程學報，2008,27(3)：439-446.

譚可奇(1980-)，男，陜西石泉人，副處長兼設計副總工程師，碩士，高級工程師，從事水電水利工程勘測設計、項目管理及科研工作；

程麗娟(1984-)，女，四川仁壽人，高級工程師，博士，從事地下工程、巖土工程等方面的設計和科研工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2016-01-04

文章編號:1001-2184(2016)01-0058-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222