孟底溝水電站地下廠房巖壁吊車梁澆筑時序研究

【摘要】大型水電站地下廠房巖壁吊車梁整體穩定性與施工時序關系密切，不同的施工時序其期梁體變形與應力、錨桿應力也不盡相同。孟底溝水電站可行性研究階段地下廠房布置在雅礱江左岸孟底溝溝口下游約200m的雄厚山體內，具有大跨度、高地應力等特點，本文將從各施工時序巖壁吊車梁吊車梁三維有限元計算分析著手，論述選擇的合理性。

【關鍵詞】巖壁吊車梁；孟底溝水電站；澆筑時序

大型水電站地下廠房巖壁吊車梁整體穩定性與施工時序關系密切。巖壁吊車梁當層開挖完畢后，后續層開挖施工將對巖壁吊車梁部位圍巖變形產生影響；在巖壁吊車梁錨桿實施及梁體澆筑完畢后，圍巖非均勻變形將進一步影響錨桿應力及梁體內部應力；圍巖產生變形致使吊車梁產生水平方向和鉛直方向的不協調變形，梁體出現了環向裂縫，局部區域梁體與圍巖出現了裂縫，從而降低巖壁吊車梁整體穩定性。

孟底溝水電站是雅礱江中游七級開發方案中的第五個梯級，上游與楞古梯級銜接，下游與楊房溝梯級銜接，目前處于可行性研究設計階段。廠區地應力22～27MPa，屬高地應力區，主廠房縱軸線與第一主應力夾角約20°。地下廠房橋機巖壁梁以下寬26.4m，以上寬度29.1m。對于孟底溝水電站大跨度地下主廠房來說，巖壁吊車梁作為其中一個重要組成部分，關系到施工期和運行期大噸位起重設備的運行安全，因此在可研設計階段開展其施工澆筑時序的研究是必要的，進一步能指導后續工程施工。

1、吊車梁體型設計

吊車梁體型參數的變化對吊車梁的位移、應力、抗滑安全系數及錨桿應力都有較大的影響。當梁的高度增加時，吊車梁的位移、交接面的開度、交接面處錨桿應力都減小；反之，則增大。當吊車梁高度一定而傾斜交接面角度增加時，吊車梁的抗滑安全系數提高而錨桿應力減小；反之，則增大。可見，對于特大噸位的巖壁吊車梁設計，確定吊車梁體型相當重要。根據初步選定的廠房吊車型式和起吊荷載，類比已建工程并經初步計算，擬定巖壁吊車梁體型及其錨固支護參數如圖1所示。

2、施工時序

2.1 主廠房施工開挖步序

主廠房施工開挖步序如圖2。

2.1 計算分析選取時序

根據主廠房各層開挖步序，中1層為巖壁吊車梁所在層，計算分析選擇以下時序：

1）中1層開挖支護完成開始澆筑巖壁吊車梁；

2）中2層開挖支護完成開始澆筑巖壁吊車梁；；

3）中3層開挖支護完成開始澆筑巖壁吊車梁。

3、三維有限元計算

3.1 計算條件及范圍

取吊車梁模型y=-82.50～-79.35m段作為典型斷面，分析其在施工期、運行期過程中吊車梁的位移、應力、錨桿應力的變化。

巖錨吊車梁穩定及錨固措施研究包括：

1）施工期巖錨吊車梁受力特性分析；

2）運行期巖錨吊車梁受力特性分析；

3.2 各施工時序三維有限元計算

1）施工期巖錨吊車梁受力特性分析

若在中1層開挖完畢后吊車梁錨桿實施與澆筑，第十期開挖完畢后巖錨吊車梁位移、錨桿應力分布如圖3。

a）從位移量值變化上可以看出，吊車梁在安裝后緊接著的幾期后續開挖中量值增加較快。說明下部開挖，高邊墻的形成，受下部洞室開挖應力釋放的影響，吊車梁向洞內且向上變形較大，開挖影響遠遠大于吊車梁自重產生影響。主廠房開完完畢后，上下游吊車梁頂面處水平相對位移最大達到2mm左右，量值較小，主要是豎直位移。總體看來，由開挖引起的吊車梁位移較大，這主要與此地的地應力偏高有關。吊車梁軌道安裝時，要考慮到后續開挖對吊車梁變形的影響，選擇恰當的時間，為其預留足夠的變形范圍。

b）從錨桿應力變化上可以看出，吊車梁部位的錨桿應力沿桿方向應力均有一個由小到大、又逐漸減小的過程。具體說來就是，錨桿位于吊車梁內部以及錨桿插入巖體深度較淺的部位，錨桿應力較小；隨著錨桿插入巖體深度的增加，錨桿應力逐漸增大；但在錨桿的末端，由于此處遠離洞周受開挖擾動小，錨桿應力又變的較小。當開挖完畢時，除局部有錨桿未達到錨桿抗壓強度和抗拉強度外，大部分錨桿應力均超出其屈服強度。

這說明中2層的開挖以及母線洞的開挖，對上下游吊車梁的錨桿應力分布有較大影響，后續開挖面應盡量離吊車梁遠一些或吊車梁錨桿施加和澆筑時間略微滯后，在母線洞開挖時應盡可能的減小施工爆破的影響，防止吊車梁的錨桿應力增加過大。若吊車梁澆筑時間改為滯后一期（即中2層開挖完畢后）或滯后兩期（即中3層開挖完畢后），，則錨桿應力得到明顯改善，如圖4、圖5。

2）運行期錨吊車梁受力特性分析

a）吊車梁錨桿應力

若在中1層開挖完畢后吊車梁錨桿實施與澆筑，運行期巖錨吊車梁位移、錨桿應力分布如圖6。

運行期吊車梁施加輪壓荷載后，受部位圍巖開挖上抬作用，吊車梁變形有所減小，但輪壓荷載對吊車梁變形的影響較小，吊車梁變形主要是產生于施工期隨圍巖的變形。

吊車梁加載運行后，輪壓對吊車梁錨桿的影響不大；巖錨吊車梁運行期錨桿受力規律正常，受力條件較好；與未加載時同期相比，第一、二排錨桿的巖錨吊車梁段壓應力有所減小，第三排錨桿的壓應力增大，第三排錨桿最大應力值除局部未達到錨桿屈服強度外，其余都超出容許強度范圍。巖錨梁上下游整體安全系數達到1.00和0.82（如圖7），下游吊車梁與圍巖整體結合狀態欠佳，不能滿足抗滑穩定要求。

這說明荷載對錨桿應力有一定的影響，但錨桿應力的變化幅度不大，后續幾期開挖以及母線洞的開挖對上下游吊車梁的錨桿應力分布及整體安全系數有較大影響。若吊車梁澆筑時間改為滯后一期（即中2層開挖完畢后）或滯后兩期（即中3層開挖完畢后），則整體安全系數得到明顯改善，如圖8、圖9。

若在中1層開挖完畢后吊車梁錨桿實施與澆筑，加載后吊車梁整體壓應力量值和拉應力量值均有所增大，但分布規律基本保持不變。吊車梁大部分都超過混凝土抗拉強度范圍，整體來看，加載后吊車梁運行仍存在很大安全隱患，其應力分布見圖10。

若滯后一期（即中2層開挖完畢后）吊車梁錨桿實施與澆筑，加載后吊車梁整體壓應力量值和拉應力量值均有所增大，但分布規律基本保持不變。吊車梁大部分都未超過混凝土抗拉強度范圍，整體來看，加載對吊車梁運行影響不大，其應力分布見圖11。此時開挖荷載對吊車梁影響比輪壓荷載對吊車梁的影響仍較大，施工期吊車梁隨圍巖整體變形仍為吊車梁的主要變形，輪壓荷載并未對吊車梁變形產生較大影響。

4、分析結論

從巖壁吊車梁施工期及運行期的有限元分析成果可以看出，這說明第五期及后續開挖以及母線洞的開挖，對上下游吊車梁梁體應力、位移及錨桿應力分布有較大影響。因此，考慮到巖錨梁部位洞室圍巖穩定及錨桿應力，吊車梁錨桿施加時間盡量設置在中2層開挖完畢；為確保梁體應力，澆筑時間應盡量設置在中3層開挖完畢母線洞貫通后。同時母線洞開挖時應盡可能的減小施工爆破的影響，防止吊車梁梁體應力、位移及錨桿應力增加過大及整體穩定系數偏小現象發生。

作者簡介：張順利（1979-），男，河南信陽人，高級工程師，主要從事水工廠房設計工作。