負荷試驗對巖錨梁及圍巖穩(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的試運行驗收是整個起重設(shè)備安裝工程的關(guān)鍵步驟，也是其日后正常安全運行的重要保證。在起重機的試運行過程中應(yīng)開展巖錨梁負荷試驗，按照一定的加荷方式施加吊車荷載。橋式起重機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傳遞到洞室圍巖。因此，負荷試驗所有的外加荷載及橋式起重機的自重荷載均由地下廠房圍巖承擔(dān)。為了解巖錨梁負荷試驗對巖錨梁及地下廠房圍巖穩(wěn)定的影響，一般要求在試驗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應(yīng)力進行同步安全監(jiān)測，利用監(jiān)測成果分析評價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，研究負荷試驗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。正常使用時，橋機的小車1和小車2吊鉤最小間距為3 850 mm，可以單獨使用也可聯(lián)合使用，橋機最大額定載荷為6 000 kN。

圖1 巖錨梁、吊車示意 （單位：mm）

1.2 試驗內(nèi)容

巖錨梁負荷試驗包括空載全程試驗和75%、100%、110%額定荷載全程試驗以及125%額定荷載靜載試驗。考慮到巖錨梁及圍巖監(jiān)測儀器數(shù)量較多，觀測時間較長，增加100%額定荷載全程靜載試驗，即橋機在巖錨梁全程范圍內(nèi)依次?？浚≤囋谏?、中、下游側(cè)往返運行，獲取每次停靠時的儀器測值。大車、小車行駛方向及?？奎c見圖2。

圖2 大、小車行駛方向及?？奎c

2 巖錨梁負荷試驗同步監(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，對施工期和運行期圍巖的穩(wěn)定以及巖錨梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，巖錨梁負荷試驗期間可借助這些儀器進行同步監(jiān)測?？紤]到負荷試驗期間安全監(jiān)測儀器未接入自動化采集系統(tǒng)，仍以人工觀測為主，無法做到每級荷載試驗都進行全斷面觀測，尤其是動荷載試驗期間，橋機運行不能停下來。因此，只能有針對性地挑選一些有代表性的儀器進行監(jiān)測，并保證在靜載試驗期間盡可能多地選擇儀器進行觀測。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

巖錨梁負荷試驗同步監(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)測項目為圍巖支護錨桿應(yīng)力、巖體變形、格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力和錨索錨固力。

3 負荷試驗對巖錨梁的影響

3.1 承拉和承壓錨桿應(yīng)力

在各級試驗加載條件下，當(dāng)橋機大車行至監(jiān)測斷面附近時，會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。雖然負荷試驗使錨桿平均應(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?？奎c，小車?？吭诮嫌蝹?cè)巖錨梁與?？吭诮掠蝹?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)橋機駛向監(jiān)測斷面時，錨桿應(yīng)力逐漸增加，至監(jiān)測斷面時增加至最大；當(dāng)橋機駛離監(jiān)測斷面時，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?？壳昂螅瑤r錨梁測縫計實測梁體與圍巖接觸變形較小，小車?？吭谏嫌蝹?cè)時的測值見表3。從表3可知，變形最大值僅為0.15 mm。同一大車?？奎c，小車?？吭诮嫌蝹?cè)巖錨梁與?？吭诮掠蝹?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，負荷試驗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中進行。在其他加載條件下，橋機處于運動狀態(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行觀測，垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法進行觀測。監(jiān)測結(jié)果表明，100%額定荷載全程靜載試驗條件下，橋機?？吭趶S0+86、廠0＋96和廠0＋120等3個不同部位時的上、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。負荷試驗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，原有裂縫無擴展趨勢，巖錨梁與巖體結(jié)合緊密。

表3 巖錨梁測縫計實測梁體與圍巖接觸變形 mm

4 負荷試驗對圍巖穩(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位移計測得。負荷試驗前，地下廠房圍巖變形已基本趨于穩(wěn)定。巖錨梁負荷試驗各級荷載條件下，地下廠房圍巖變形測值變化均較小，橋機?？壳昂鬁y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。巖錨梁負荷試驗對電站地下廠房的圍巖變形影響非常小。

4.2 支護結(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?？壳昂箦^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 （平均錨索錨固力約1 100 kN）。同一大車?？奎c，小車停靠在近上游側(cè)與?？吭诮掠蝹?cè)兩種不同工況下，圍巖錨桿應(yīng)力相差約1～2 MPa。

支護結(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，試驗荷載對圍巖支護結(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斷層頂拱支護設(shè)置，頂拱圍巖的微小變形均會引起格構(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，至橋機負荷試驗時，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?？壳昂?，格構(gòu)梁鋼筋應(yīng)力變化量最大為3.48 MPa。同一大車?？奎c，小車?？吭诮嫌蝹?cè)巖錨梁與?？吭诮掠蝹?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荷試驗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）負荷試驗的各級荷載會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）負荷試驗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）負荷試驗對地下廠房圍巖穩(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）負荷試驗引起的錨桿應(yīng)力、巖體應(yīng)力、接觸變形以及梁體位移等變化，在卸荷后或者橋機駛出影響范圍后均能恢復(fù)至試驗前的狀態(tài)。

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