官地水電站地下廠房巖壁吊車梁裂縫成因分析及處理

龔少紅，王 波

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

巖壁吊車梁在20 世紀20 年代首先在挪威得到應用，中國自1986 年從挪威引進這種新型結構以來，至今已經有20多年的歷史，并成功應用于多個水電工程。目前應用巖壁吊車梁的已建和在建工程包括三峽、小浪底、瀑布溝、龍灘、錦屏、溪洛渡等多個水電工程。巖壁吊車梁是利用一定數(shù)量的深孔錨桿和巖壁臺座把混凝土梁體牢牢地錨固在巖石上，由錨桿和鋼筋混凝土聯(lián)合構成壁式受力結構。梁體承受的全部荷載及其自重通過錨桿及巖壁臺座傳遞到巖體內。與普通吊車梁相比，具有減小廠房跨度、有利于廠房穩(wěn)定、節(jié)約工程量和造價、便于提前安裝吊車、方便后期混凝土澆筑及發(fā)電機組安裝等優(yōu)點。但同時由于巖壁吊車梁是利用錨桿將鋼筋混凝土結構錨固在巖壁上，其受力條件和承載能力不僅與梁體結構、錨桿參數(shù)等有關，還受圍巖條件、輪壓大小和分布、洞室規(guī)模、地應力大小和方向等影響，其受力狀態(tài)較普通吊車梁復雜。因此巖壁吊車梁的結構特點及其在地下廠房施工期和運行期的重要作用使得其設計和施工備受重視。

官地水電站巖壁吊車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。巖壁吊車梁混凝土裂縫的出現(xiàn)，會大大削弱其整體性，對結構安全較為不利。本文結合官地水電站地下廠房巖壁吊車梁裂縫實例，從地質條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)和三維數(shù)值仿真分析等多個角度，分析裂縫形成機制，提出了裂縫處理措施。施工期巖壁吊車梁出現(xiàn)裂縫具有普遍性，提出相應的預防措施供探討和參考。

2 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、尾水調壓室和尾水洞等組成。主廠房、主變室、尾調室三大洞室平行布置，軸線方向N5°E，主廠房與主變室間巖柱厚49.2m，尾調室與主變室間巖柱厚48.8m。主廠房全長243.44m，吊車梁以上開挖跨度31.10m，以下開挖跨度29.00m，開挖高度76.30m；主變室長197.30m，寬18.8m，總高25.20m。引水洞采用一機一洞布置，尾水調壓室采用“兩機一室”布置型式，設置兩個條型調壓室。

根據(jù)地下洞室群開挖順序及支護參數(shù)研究成果，地下廠房共分11層進行開挖，主變室共分4 層進行開挖(見圖1)。系統(tǒng)支護方案以普通砂漿錨桿和掛網噴混凝土為主，結合使用預應力錨索。為及時掌握地下廠房施工期圍巖的變形和穩(wěn)定情況，安全監(jiān)測設計以圍巖變形與支護應力監(jiān)測為主，輔以一定的結合部監(jiān)測。

3 巖壁吊車梁裂縫介紹

官地水電站地下廠房內安裝2臺450t+450t雙小車大橋機和1臺160t/16t小橋機，每臺大橋機每側12個輪子，最大單個輪壓785kN。巖壁吊車梁頂寬2.25m，高3.18m，總長226.42m。巖壁吊車梁壁座角為35°，巖壁吊車梁體型范圍內布設兩排受拉錨桿、一排系統(tǒng)錨桿和一排受壓錨桿。受拉錨桿均采用長12m@70cm的φ40Ⅲ級精軋螺紋鋼筋，入巖9.7m，靠近巖壁的1.5m范圍內涂抹瀝青。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9m@150cm的φ32Ⅱ級鋼筋，水平入巖7.5m。受壓錨桿采用長9m@70cm的φ32Ⅱ級鋼筋，垂直巖面入巖7.5m。在巖壁吊車梁上下分別間隔布置了一排1 750kN和1 500kN的預應力錨索。巖壁吊車梁典型斷面見圖2。

圖1 主廠房及主變室分層開挖示意 圖2 巖壁吊車梁結構及支護剖面示意

圖3 上游巖錨梁巖臺裂縫延伸長度分布情況 圖4 上游巖錨梁立面裂縫延伸長度分布情況

巖壁吊車梁于2008年10月19日進行第一倉混凝土澆筑，至12月10日巖壁吊車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號機組錐管混凝土澆筑完成后檢查發(fā)現(xiàn)上游巖壁吊車梁混凝土有裂縫。裂縫幾何分布特征如下：

(1)裂縫延伸長度分布特征。從圖3和圖4統(tǒng)計結果可知，在上游巖錨梁臺面上出現(xiàn)的裂縫，其延伸長度出現(xiàn)明顯的“兩極分化”，裂縫的最小延伸長度為0.18m，最大延伸長度為1.9m；其中有50%的裂縫，其延伸長度介于1.5m和2.0m之間；另有42%的裂縫延伸長度小于0.5m。在上游巖錨梁立面上出現(xiàn)的裂縫，最小延伸長度為0.3m，最大延伸長度為2.4m； 62%的裂縫其延伸長度介于2.0m和2.5m之間，另有32%的裂縫其延伸長度介于0.5m與1.5m之間。

(2)裂縫寬度分布特征。從圖5和圖6統(tǒng)計結果可知，臺面裂縫的最小寬度為0.1mm，最大寬度為2.5mm。65%的臺面裂縫，其寬度在0.1mm之內，裂縫寬度小于0.5mm的占總數(shù)的84%，有12%的裂縫寬度大于1mm。立面裂縫的最小張開寬度為0.1mm，最大寬度為2.0mm。裂縫寬度在0.1mm之內的占裂縫總數(shù)的24%；裂縫寬度在0.5mm之內的占裂縫總數(shù)的81%，有3%的裂縫寬度大于1mm。

圖5 上游巖錨梁巖臺裂縫張開寬度分布統(tǒng)計 圖6 上游巖錨梁立面裂縫張開寬度分布統(tǒng)計

圖7 上游巖錨梁裂縫沿廠房軸線分布密度

(3)裂縫密度分布特征。圖7為裂縫密度沿廠房軸線方向的分段統(tǒng)計結果。從裂縫的整體分布來看，廠橫0+088～0+076m段是裂縫發(fā)育的密集區(qū)段。此段范圍內的臺面裂縫其平均延伸長度為1.43m，平均張開寬度為0.61mm；立面裂縫的平均延伸長度和平均張開寬度分別為2.07m和0.66mm，均總體上大于其他部位；且以張性裂縫為主。

4 裂縫部位地質條件

廠房上游邊墻廠橫0+20～0+130m段，主要錯動帶出露12條，組成物質均以糜棱角礫巖、壓碎巖、石英為主，力學類型為巖屑巖塊型。延伸長度從21～60m不等。此段巖體圍巖類別：1 227.0m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，1 227.0m高程以下以Ⅱ類為主。廠房3號、4號機組上游邊墻存在錯動帶fx12、fx22、fx11、fx23、fx45、fxk09軟弱結構面，產狀見圖8。自2009年10月份以來，在上游邊墻3號～4號機組段發(fā)現(xiàn)多處噴層裂縫，巖壁吊車梁上部出現(xiàn)4條噴層裂縫，最長為10.21m；巖壁吊車梁下部出現(xiàn)4條噴層裂縫，延伸最長的為6.68m。

3號壓力管道內距離廠房上游邊墻12～22m范圍內發(fā)育有與廠房邊墻近似平行的高陡傾角結構面，主要包括錯動帶fx3-15和裂隙密集帶N10°W/SW∠70°(見圖9)。錯動帶fx3-15在壓力管道左側半洞1 195m高程附近寬度約1～3cm左右，延伸至右側半洞1 195m高程附近后，漸變?yōu)橐粭l裂隙，裂面可見明顯擦痕。但從圖8看，該條錯動帶在上游邊墻上并未出露。

圖8 主廠房上游邊墻廠橫0+020～0+130m段發(fā)育的主要錯動帶

5 裂縫成因分析

在裂縫密集區(qū)廠橫0+076m處巖壁吊車梁及其上、下部均布置有監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面的儀器布置見圖10和圖11。儀器編號約定如下：M代表多點位移計，上標4表示四點式多點位移計，4個測點的深度為：28.5m、22.5m、12.5m、5.5m；R3代表錨桿應力計；PR代表錨索測力計；下標數(shù)值代表監(jiān)測儀器編號，CF符號代表工程部位，即廠房。

5.1 變形監(jiān)測成果分析

圖10 廠房上游邊墻監(jiān)測儀器布置(廠橫0+076m) 圖11 巖壁吊車梁監(jiān)測儀器布置(廠橫0+076m)

圖12 多點位移計位移變化曲線

圖14、15分別為巖壁吊車梁水平和鉛直變形動態(tài)演化特征曲線。圖上可以看出：上游吊車梁在廠橫0+60～0+120m水平變形較大，向兩側呈非對稱減小趨勢，大樁號部位受到安裝間端部約束作用變形相對較??；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5～7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，分界點大致在3號機組附近，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，變化較大的對應7～11層開挖期。分析表明：隨著主廠房向下開挖，吊車梁產生了水平方向和鉛直方向的不協(xié)調變形。

5.2 支護應力監(jiān)測成果分析

圖13 多點位移計位移隨時間及開挖進展變化曲線廠橫0+076m，EL1214.70m)

圖14 上游吊車梁水平位移沿廠房軸線方向變化示意

圖15 上游吊車梁鉛直位移沿廠房軸線方向變化

5.3 三維數(shù)值仿真分析

圖18、19為地下洞室群的位移等值線圖。洞室群位移場的總體分布特征為：

(1)洞室群開挖后，洞周圍巖卸荷，變形總體上表現(xiàn)為向臨空面發(fā)展，各個洞室的拱頂均未表現(xiàn)出向上回彈現(xiàn)象，而是逐步下沉；底板向上回彈。

圖16 錨桿應力歷時圖廠橫0+076m 上游巖錨梁EL1226.98m)

圖17 錨桿應力歷時圖廠橫0+076m上游吊車梁EL1226.58m)

圖18 3號機組中心線剖面位移等值線(單位：mm) 圖19 4號機組中心線剖面位移等值線(單位：mm)

(2)洞室群開挖后，圍巖總體變形形態(tài)受控于三維地應力場，同時在局部受到巖體結構面影響十分明顯(fx3-15)。主廠房上游邊墻位移大于下游邊墻；同一斷面邊墻中部變形大于上部和下部。

綜上分析，無論是監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，還是由三維數(shù)值分析結果來看，整個上游邊墻圍巖的變形沿主廠房軸線的分布極不均勻，廠橫0+076m處是整個上游邊墻圍巖變形最大的部位。主廠房上游邊墻的變形整體較小，僅3號機組段監(jiān)測斷面高程1 214.70m和高程1 226.45m兩處的局部變形較大。上游邊墻圍巖強烈的不均勻變形引起了巖壁吊車梁的裂縫。

6 裂縫處理及荷載試驗成果

6.1 裂縫處理

巖壁吊車梁裂縫如不進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，對結構安全不利。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0.2mm的一般淺表性裂縫，利用混凝土表層微細獨立裂縫或網狀裂縫的毛細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)，進行表面封閉。

(2)對寬度大于0.2mm的淺表型裂縫及所有貫穿性裂縫，采用潮濕型改性環(huán)氧樹脂進行壓力注漿處理。壓力注漿前，對裂縫周邊進行密封，可在構件表面沿裂縫走向騎縫鑿出槽深和槽寬分別不小于20mm和15mm+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合材料封閉其表面。

(3)巖壁吊車梁與圍巖的鉛直接觸面進行潮濕型改性環(huán)氧樹脂注漿處理。

6.2 荷載試驗成果

巖壁吊車梁荷載試驗對廠橫0+164.12m(安裝間)、廠橫0+114.00m(4號機組)、廠橫0+076m(3號機組)、廠橫0+038m(2號機組)、廠橫0+000m(1號機組)5個斷面進行了荷載試驗并對監(jiān)測儀器進行了觀測。

(1)荷載級別。廠橫0+114.0m斷面荷載逐級加載到110%P(P為試驗設定最大豎向輪壓，即900t、990t)，廠橫0+164.12m斷面荷載逐級加載到125%P(1 150t)，廠橫0+076m、廠橫0+038m和廠橫0+000m斷面分別進行75%P(675t)和100%P(900t)兩級加載，每級做兩遍。

圖20 廠橫0+076m多點位移計各測點位移增量與輪壓關系

圖21 廠橫0+076m錨桿應力計應力增量與輪壓關系 圖22 廠橫0+114m測縫計開合度與輪壓關系

在巖壁吊車梁試驗完成后，對巖壁吊車梁和廠房邊墻進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)巖壁吊車梁上出現(xiàn)新的裂縫，邊墻表層混凝土也沒有脫落，巖壁吊車梁與邊墻接觸處試驗前后均無異常，表明對巖壁吊車梁裂縫進行的化學灌漿、表面粘貼碳纖維布的處理是可行的。

7 結 論

官地水電站巖壁吊車梁建造后在后續(xù)洞室開挖卸荷作用下，圍巖產生非均勻變形，致使吊車梁產生水平方向和鉛直方向的不協(xié)調變形，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灌漿措施處理后可滿足巖壁吊車梁穩(wěn)定性和安全性的要求。

參考文獻：

[1] 雅礱江官地水電站主廠房圍巖穩(wěn)定及上游巖壁吊車梁安全穩(wěn)定評價報告[R].中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，長江水利委員會長江科學院，2010(6).

[2] 官地引水發(fā)電系統(tǒng)工程地質報告[R].中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，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院，2009(6).

[4] 董志宏，丁秀麗，盧波，等.大型地下洞室考慮開挖卸荷效應的位移反分析[J].巖土力學，2008,28(6).

[5] 董志宏，丁秀麗，張風，等.大型地下廠房施工期圍巖變形監(jiān)測成果分析[J].巖土力學，2006(27).

[6] 王剴，彭琦，湯榮，等.地下廠房巖壁吊車梁裂縫成因分析[J].巖石力學與工程學報，2007,26(10).

[7] 唐軍峰，徐國元， 唐雪梅.地下廠房巖壁吊車梁縱向裂縫成因分析及發(fā)展趨勢[J].巖石力學與工程學報, 2009,28(5).

[8] 傅建，彭愛華，朱新元，等.構皮灘水電站地下廠房巖壁吊車梁裂縫產生原因分析及處理[J].貴州水力發(fā)電，2010,24(4).

[9] 郭凌云，肖明，劉嫦娥.巖錨吊車梁破壞機制數(shù)值模擬分析[J].武漢大學學報(工學版)，2008,41(2).

[10] 陳炳祥，杜彬.巖壁吊車梁梁體混凝土裂縫的分析與控制[J].鐵道建筑技術，1998(6).