地下廠房巖壁梁爆破松弛試驗及穩(wěn)定性影響研究

周春國 王榮富 劉興堂 封 磊 劉 剛

（1. 華電云南發(fā)電有限公司以禮河電廠，云南會澤 650000；2. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 310014）

0 引言

巖梁區(qū)域的開挖成型對巖梁的穩(wěn)定性有很重要的影響，但在實際工程中往往由于多種原因造成巖梁區(qū)域開挖成型較差、巖梁區(qū)域缺失等現(xiàn)象[1]。在我國西南地區(qū)水電工程中，因地質(zhì)條件復(fù)雜、地應(yīng)力高等因素，多數(shù)工程在巖壁吊車梁巖梁區(qū)域開挖過程中出現(xiàn)相對嚴(yán)重的開挖成型差、巖梁區(qū)域缺失的現(xiàn)象，如錦屏二級、烏東德和白鶴灘。當(dāng)巖梁區(qū)域缺失較嚴(yán)重時，圍巖往往出現(xiàn)松弛、巖體裂隙卸荷張開、在高地應(yīng)力環(huán)境下圍巖出現(xiàn)片幫或板狀開裂等現(xiàn)象，致使圍巖條件出現(xiàn)一定程度的劣化[2-4]。對圍巖松弛范圍的測試主要依靠聲波測試技術(shù)[5-6]，爆破方式對圍巖松弛區(qū)范圍的影響以及爆破松弛區(qū)范圍的計算已有一些成熟的成果[7-8]。巖壁吊車梁是坐落在穩(wěn)定圍巖上的混凝土結(jié)構(gòu)，故當(dāng)圍巖條件變化后，勢必會對巖梁的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，目前國內(nèi)外對巖壁吊車梁的爆破成型試驗成果較少。國內(nèi)規(guī)范中對巖壁吊車梁安全系數(shù)的計算主要采用剛體平衡法及數(shù)值計算，而數(shù)值計算中往往難以把握巖梁部位的圍巖松弛范圍。為準(zhǔn)確掌握和評價巖壁吊車梁的穩(wěn)定狀態(tài)，需要在巖壁梁附近進(jìn)行爆破試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析圍巖狀態(tài)變化對巖梁穩(wěn)定性的影響，以及圍巖與巖梁區(qū)域加固結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系。

1 巖梁爆破松弛試驗方案

爆破試驗段位置見圖1，有A、B、C、D、E 共5個試驗段，其中A、E 段在下游側(cè)，B、C、D 段在上游側(cè)。廠房區(qū)域地層巖性為古生界下二疊統(tǒng)棲霞-茅口組（P1q+m）厚-巨厚層狀灰?guī)r，飽和抗壓強(qiáng)度55～60 MPa。造孔間距35 cm，斜孔線藥密度55 g/m，垂直孔線藥密度65 g/m，要求質(zhì)點爆破振動≤6.0 cm/s。爆前爆后對各孔分別開展鉆孔聲波測試，具體測試方案見表1，試驗A、B 段孔深12 m，C、D、E 段孔深9 m，鉆孔直徑76 mm，每個試驗段兩個測試孔。爆破后，對各測試孔進(jìn)行掃孔作業(yè)。測試孔和爆破位置見圖2，巖梁與圍巖接觸斜面布置傾向安裝場方向30°的斜爆破孔，巖梁上、下垂直里面布置豎直爆破孔，斜爆破孔與豎直爆破孔在上拐點相交，兩個測試孔分別位于巖梁上垂直立面以及巖梁與圍巖接觸斜面上，兩孔豎直距離3 m。

圖1 地下廠房巖梁試驗段位置示意圖

表1 各試驗段開展鉆孔聲波測試具體方案

圖2 地下廠房爆破孔布置示意圖

巖梁區(qū)域加固措施有以下兩種（見圖3）：

圖3 巖壁梁加固方案示意圖

（1）樹脂錨桿預(yù)加固措施：開挖面需噴鋼纖維混凝土（強(qiáng)度等級CF30）進(jìn)行表面封閉，噴射厚度不小于10 cm；采用全螺紋纖維增強(qiáng)樹脂錨桿，錨桿參數(shù)為?25 mm，4.5 m @1 m×1 m，數(shù)量約18 根（3 排，每排6 根）。

（2）預(yù)灌漿措施：利用樹脂錨桿孔，采用跨孔預(yù)灌漿（4.5 m @2 m×2 m），即圖3 所示的A1、C1 孔和A3、C3 孔等灌漿。采用濃漿預(yù)灌，灌漿壓力采用0.2～0.3 MPa，采用濃漿預(yù)灌（具體濃度據(jù)現(xiàn)場預(yù)灌確定）。

試驗C 段、D 段和E 段采用預(yù)灌漿措施，其中試驗E 段采用樹脂錨桿預(yù)加固措施。

2 爆破前后巖體松弛變化特征

根據(jù)爆破后現(xiàn)場照片（見圖4），各試驗段半孔率均較高。其中，試驗C 段成型較差，主要受鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體和優(yōu)勢節(jié)理特征控制，廠房巖梁斜面鉆孔與優(yōu)勢節(jié)理大角度相交角度越大越有利于巖梁成型；試驗E 段成型較好，該段采用樹脂錨桿預(yù)加固措施，且優(yōu)勢節(jié)理中緩傾傾向廠房側(cè)比較發(fā)育，巖梁斜面造孔方向豎直向也基本可以實現(xiàn)與優(yōu)勢節(jié)理大角度相交，其他各段成型尚可。采用聲波測試爆前爆后的平均波速與應(yīng)力松弛圈深度（見圖5），大部分測點爆破后的應(yīng)力松弛圈相比于爆破前有所增加，增量均在0.5 m 以上，其中D1 測點增量近2.5 m ，C2 測點爆前爆后松弛圈近乎持平。局部松弛圈增量較大可能由炸藥量過大、炮孔間距偏小等因素造成。爆前各測點松弛圈平均深度為1.73 m，爆后各測點平均深度約2.51 m。爆前各測點平均波速為4000～4600 m/s，爆后各測點波速為3000～3800 m/s，爆后波速減少了約20%。綜合圖4 及圖5，試驗段E 采用樹脂錨桿預(yù)加固措施后，圍巖成型效果好，應(yīng)力松弛圈增量較小，是相對合理的支護(hù)措施。

圖4 爆破試驗后現(xiàn)場照片

圖5 聲波測試平均波速與應(yīng)力松弛圈深度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對聲波測試爆前爆后的各測點巖體完整性進(jìn)行統(tǒng)計（見圖6），爆前較完整及完整占比50%以上，爆后降低至25%左右，完整性差和較破碎巖體占比各增加了5%～10%。

圖6 巖體完整性統(tǒng)計圖

3 考慮松弛效應(yīng)巖壁梁開挖響應(yīng)監(jiān)測與計算分析

根據(jù)試驗得到的應(yīng)力松弛圈深度，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造與洞室的空間分布關(guān)系，對巖壁梁開挖響應(yīng)進(jìn)行模擬計算。數(shù)值模型見圖7，模型中考慮了24 條對廠房影響較大的結(jié)構(gòu)面。依據(jù)巖壁梁爆破開挖前的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行圍巖、結(jié)構(gòu)面參數(shù)反演，反演結(jié)果見表2、表3。

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)取值表

表3 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)

計算結(jié)果見圖8 和表4，未考慮松弛圈時，孔口0 m 及2 m 相對誤差為10%～30%，考慮松弛圈后，孔口附近測點相對誤差降至5%以內(nèi)。而對于5 m及10 m 附近測點，由于其不在應(yīng)力松弛圈影響范圍內(nèi)，相對誤差基本在20%以上，考慮松弛圈后，相對誤差有所增加。

表4 監(jiān)測值與計算值相對誤差統(tǒng)計表

圖8 地下廠房變形云圖與監(jiān)測設(shè)備位置示意圖（單位：mm)

近開挖面測點相對誤差相較于遠(yuǎn)開挖面測點小，原因是圍巖類別與結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀在距開挖面較遠(yuǎn)處無法精確刻畫，且相對誤差這一統(tǒng)計量放大了遠(yuǎn)開挖面測點的誤差程度，事實上，監(jiān)測值與計算值的絕對誤差基本在2 m 以內(nèi)?？傮w來看，考慮圍巖應(yīng)力松弛圈深度后，對圍巖變形的模擬效果較好。

依據(jù)式（1）計算巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)：

式中： σi為 結(jié)合面上第i個 單元的法向壓應(yīng)力，kPa；τi為結(jié)合面上第i個 單元的剪應(yīng)力，kPa；fi為結(jié)合面上第i個 單元的摩擦系數(shù)；ci為結(jié)合面上第i個單元的黏聚力，kPa；Ai為第i個單元沿滑裂面的面積，m2；n為結(jié)合面上的單元個數(shù)。

未考慮松弛圈時，巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)為6.89，考慮松弛圈時，安全系數(shù)降至3.13，巖壁梁處于穩(wěn)定狀態(tài)。巖體應(yīng)力松弛對巖梁安全系數(shù)影響較大，考慮松弛圈后巖壁梁安全系數(shù)降低了超過50%，因此在巖壁梁附近精確刻畫松弛圈范圍是十分必要的。

4 結(jié)論

對某工程巖壁梁區(qū)域圍巖進(jìn)行了爆破試驗，根據(jù)爆破試驗結(jié)果對巖壁梁爆破后的圍巖狀態(tài)進(jìn)行分析，將松弛圈深度結(jié)果應(yīng)用于數(shù)值模擬計算中，結(jié)論如下：

（1）爆前各測點松弛圈平均深度為1.73 m，爆后各測點平均深度約2.51 m；爆前各測點平均波速為4000～4600 m/s，爆后各測點波速為3000～3800 m/s，爆后波速減少了約20%；爆前較完整及完整占比50%以上，爆后降低至25%左右。

（2）試驗段E 采用樹脂錨桿預(yù)加固措施后，圍巖成型效果好，應(yīng)力松弛圈增量較小，是相對合理的支護(hù)措施。

（3）未考慮松弛圈時，孔口0 m 及2 m 數(shù)值模擬計算值與監(jiān)測值相對誤差為10%～30%，巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)為6.89，考慮松弛圈時，孔口附近測點相對誤差降至5%以內(nèi)，安全系數(shù)降至3.13，數(shù)值模擬結(jié)果可靠，巖壁梁處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）結(jié)合巖壁梁區(qū)域圍巖爆破實驗，對巖壁梁結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性安全性系數(shù)進(jìn)行精細(xì)化的數(shù)值模擬計算，確保巖壁梁在運行期的安全性，該技術(shù)可在類似工程中推廣應(yīng)用。