淺談錨噴技術(shù)在地下洞室中的應(yīng)用

楊讓全

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司,吉林長春 130021)

淺談錨噴技術(shù)在地下洞室中的應(yīng)用

楊讓全

(中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司,吉林長春 130021)

目前國內(nèi)大小水電工程幾乎都涉及到地下洞室的支護,尤其是臨時支護。合理運用相應(yīng)的支護手段對地下洞室進行有效的支護,既節(jié)省投資,又能夠高效率的推進工程的進展,是一項工程追求的目標,也是工程地質(zhì)研究的方向。錨噴支護運用得當是最高效率的一種施工方法,但很多人對錨噴支護的效果有所懷疑,進而增加拱架支護,這樣做不僅增加了不必要的投資,而且延緩了工期。以蓋下壩水電站工程1#交通洞的錨噴支護效果計算為例,使大家對錨噴支護技術(shù)有一定的了解。

地下洞室;錨噴支護;應(yīng)用

0 引言

經(jīng)過國內(nèi)外大量工程實踐證明,錨噴支護是一項行之有效的先進技術(shù),它施工速度快、安全可靠、節(jié)省原材料,對多快好省地進行地下工程建設(shè)具有重大的現(xiàn)實意義。

1 錨噴支護原理解析

錨噴支護的基本原理就是把作為荷載看待的圍巖轉(zhuǎn)化成能夠承受外荷的一種結(jié)構(gòu)(巖石結(jié)構(gòu)),而把襯砌(人工結(jié)構(gòu))轉(zhuǎn)變成扶持圍巖穩(wěn)定的一種支護措施。錨噴支護和圍巖粘結(jié)在一起,形成一個統(tǒng)一體,二者互相依存,彼此制約,共同變形,聯(lián)合受力,而真正起作用的是圍巖。

它的作用機理可以從以下幾方面來認識。

(1)錨噴支護能夠積極保持和提高圍巖的二次強度。錨噴支護的及時性和密貼性,在保持和提高圍巖二次強度方面有著特別積極的作用。在洞室開挖后的短時間內(nèi),噴射砼能夠及時封閉圍巖,隔絕大氣對圍巖的風化作用,防止圍巖二次強度急劇降低,特別是對那些易于風化、解體的軟弱圍巖更加重要,它是保持和發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力的關(guān)鍵。另外,以高壓射流形式噴射的砼,一部分砂漿滲入巖體結(jié)構(gòu)面中,使互不聯(lián)系或聯(lián)系較弱的巖塊膠結(jié)在一起,加強了圍巖的整體性,提高了巖塊間的抗剪能力。

穿過巖體結(jié)構(gòu)面的錨桿,既起到一定的懸吊作用,又具有整體加固的效果。由于錨桿制約圍巖變形,巖體結(jié)構(gòu)面間的壓密程度增加,摩阻力加大。錨桿本身的抗拉抗剪能力,能防止巖塊松動和滑移。噴射砼和錨桿提供的支護抗力,改善了圍巖的受力條件,使接近二維的受力狀態(tài)又向三維受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化,大大提高了圍巖的二次強度。

(2)錨噴支護能夠使圍巖的二次應(yīng)力向有利的方向調(diào)整。圍巖二次應(yīng)力的特點是徑向應(yīng)力解除或減小,切向應(yīng)力成倍增加而且增加的范圍主要集中在洞室周邊,成為洞室失穩(wěn)破壞主要原因。因此,調(diào)整二次應(yīng)力的關(guān)鍵,除增大徑向抗力外,還在于緩和切向應(yīng)力的集中程度。錨噴支護在這方面有著突出的優(yōu)點,由于它能保持和提高圍巖的二次強度,就限制和延緩了圍巖的破壞過程,為二次應(yīng)力的調(diào)整爭取時間。錨噴支護能夠利用自身的柔性來適應(yīng)圍巖的蠕變。在蠕變過程中,噴層又以越來越大的徑向抗力和切向抗力來支護圍巖,使變形速度進一步減慢,為充分利用圍巖的塑性創(chuàng)造了條件。

圍巖的塑性使應(yīng)力不斷地隨時間進行調(diào)整,使二次應(yīng)力的分布由過度集中向平緩轉(zhuǎn)化。隨著二次應(yīng)力向深部調(diào)整轉(zhuǎn)移,塑性區(qū)的范圍不斷增大,穩(wěn)定洞室所需要的支護力相應(yīng)降低,從而減輕錨噴支護的負擔。

(3)錨噴支護具有良好的受力狀態(tài)。錨噴支護和圍巖緊密連接,二者相互提供粘滯力,彼此制約,共同變形,支護有助于圍巖的穩(wěn)定,圍巖改善了支護的受力狀態(tài)。在圍巖和支護共同工作中,柔性支護處于極有利的地位。一方面,柔性支護易于變形,作用其上的變形壓力變小;另一方面,在相同的荷載作用下,柔性支護的內(nèi)力總比剛性支護要小得多。因此,當錨噴支護和圍巖共同承載時,支護設(shè)計柔性大些,可以更好地發(fā)揮圍巖的支撐能力。

2 工程概況

蓋下壩水電站位于長灘河的中上游,是長灘河流規(guī)劃的第一級電站,水庫總庫容3.54×108m3,電站總裝機容量120 MW。根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標準》(DL5180—2003),按庫容確定工程規(guī)模為大(2)型,工程等別為Ⅰ等。壩址區(qū)位于重慶市云陽縣和奉節(jié)縣交界,長灘河老鴉峽峽口上游1.4 km處,施工條件較差。1#交通洞為連接壩址區(qū)與外界交通的唯一通道,其施工速度的快慢直接影響到整個工程的工期。為使壩址區(qū)盡快開工,1#交通洞出口Ⅳ類圍巖段暫時采取系統(tǒng)錨噴的臨時支護,形成施工通道,工程結(jié)束后再進行襯砌。

2.1 地層巖性

1#交通洞出口段地層為嘉陵江組第二段角礫狀灰?guī)r(T1j4-2),灰黑色—灰白色,角礫狀結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

1#交通洞樁號0+400～0+420 m發(fā)育有一條正斷層f:產(chǎn)狀N85°W,傾NE,∠65°～80°,張開2～3 cm,巖屑夾少量泥充填。斷層兩盤較完整,節(jié)理較發(fā)育。層理產(chǎn)狀:EW,傾S,∠15°,層理不發(fā)育,多閉合。樁號0+424 m至洞口0+457 m節(jié)理發(fā)育,主要發(fā)育有三組節(jié)理。

J41:N70°W,傾NE,∠65°,間距30～50 cm,微張2 mm,泥、鐵銹、巖屑充填,節(jié)理面稍起伏粗糙;

J42:N25°W,傾S W,∠60°～75°,間距20～40 cm,微張2 mm,泥、鐵銹、巖屑充填,節(jié)理面稍起伏粗糙;

J43:EW,傾S,∠80°,間距10～30 cm,微張2 mm,泥、鐵銹、巖屑充填,節(jié)理面稍起伏粗糙。

此三組節(jié)理與層理相互切割成10～30 cm的巖塊,現(xiàn)場初步分類:中硬巖鑲嵌結(jié)構(gòu)定為Ⅳ類圍巖。根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》地下洞室圍巖詳細分類評分復(fù)核結(jié)果見表1。

表1 1#交通洞Ⅳ類圍巖段評分表Table 1 Marking table ofⅣclasswall rock in 1#traffic hole

3 錨噴支護后穩(wěn)定計算

由于開挖后圍巖較破碎,現(xiàn)場確定系統(tǒng)支護為砂漿錨桿間排距1.5 m×1.5 m,深3.5 m,混凝土噴層厚15 cm,掛網(wǎng)網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。

根據(jù)有關(guān)文獻資料,可建立相關(guān)的計算公式,基本概念是:洞室周邊的混凝土噴層只能是剪切破壞,并且剪切面與隧洞中心線呈20°～30°夾角(如圖1)。

圖1 隧洞剪切破壞示意圖Fig.1 Sketch map of shear destroy about tunnel

式中:Pi噴——作用在噴混凝土層上的徑向應(yīng)力;τ噴——噴層的抗剪強度;δ——噴層厚度;b——支護后洞高;α——剪切面與隧洞中心線的夾角。

錨噴聯(lián)合支護承載圈的承載力,其關(guān)系式見圖2。

圖2 錨噴聯(lián)合支護承載圈的承載力示意圖Fig.2 Sketch map of bearing capacity about bolt-shotcrete support load-bearing ring

式中:Pi圈——承載圈的承載力;h圈——承載圈的厚度;τ巖——承載圈巖石的抗拉強度;φ——承載圈巖石的內(nèi)摩擦角;b——破壞面與洞壁交點在垂直方向上的長度;α——剪切面與隧洞中心線的夾角。

開挖后洞型呈圓形,底部墊渣后呈馬蹄型,r0=5.45 m,b/2=r0cosα;因錨桿長3.5 m,取h圈=3.0 m,φ=40°,α=30°,τ巖=26 t/m2,δ=15 cm,則承載圈承載力為:Pi圈=2τ巖·h圈·cos(φ/2)/bsinα=2×26×3×0.94/2×5.45×0.87×0.5=30.9 t/m2;噴層的承載力計算,取τ噴=0.2,R噴壓=290 t/m2,則Pi噴=δ τ噴/r0cosαsinα=0.15×290/5.45×0.87×0.5=18.3 t/m2;錨噴支護總承載力Pi總=Pi圈+Pi噴=30.9+18.3=49.2 t/m2。

不考慮構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響下能支撐上覆松動巖體的厚度為H=Pi總/τ巖=49.2/2.6=18.9 m>2倍洞徑。

而開挖影響下造成松動巖體的厚度(塌落拱僅為40 cm)遠小于該厚度,且到目前為止,1#交通洞出口Ⅳ類圍巖段經(jīng)過一年多的考驗未發(fā)現(xiàn)圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。因此,蓋下壩水電站工程1#交通洞出口Ⅳ類圍巖段錨噴支護是安全有效的。

4 結(jié)語

在以往我們的工程概念中,見圍巖較破碎基本就需要拱架支撐,實際通過對交通洞出口Ⅳ類圍巖段的計算,我們發(fā)現(xiàn)對中硬巖類以上Ⅳ類圍巖的支護方式未必要以拱架為主,拱架支護慢影響工程進度,且支護效果比系統(tǒng)錨噴要差,鋼結(jié)構(gòu)支撐只能做一種輔助的柔性支撐,它的抗壓性能相對較差,單一實施拱架支護造成隧洞塌方事件在很多工程中常見。因此我們在更為破碎的圍巖條件下,必須先做好錨噴支護,在巖石強度低,自身穩(wěn)定性不夠的情況下再施以鋼結(jié)構(gòu)輔助支護,才能有效保證施工的安全。

[1] 電力工業(yè)部東北勘測設(shè)計院.地下洞室的錨噴支護[M].北京:水利出版社,1981.

[2] 鄭穎人.地下工程錨噴支護設(shè)計指南[M].北京:中國鐵道出版社,1988.

[3] 徐志英.巖石力學[M].北京:水利水電出版社,1993:145-152.

(責任編輯:潘 瀟)

Discussion on Application of Bolt-shotcrete Support Techn ique in Underground Cavern

YANG Rangquan
(Engineering Investigation Institute of China WaterN ortheastern Investigation,Design&Research Co.,Ltd.,Changchun,Jilin130021)

At present underground support,especially the temporary support is involved in almost all the hydropower projects.The use of appropriate means of underground cavern support which can not only save investment,but also promote the progress of the project,has been a project goal for geological research.Bolt-shotcrete support is the most efficientmean of construction methods,but many people have suspected the effect of bolt-shotcrete support and put for ward the arch support leading to the unnecessary investment and delaying the construction period.The paper discusses the example of the calculated effect of bolt-shotcrete supportof Gaixia dam hydropower project 1#,and highlights the boltshotcrete support.

underground cavern;bolt-shotcrete support;application

TV554+.12

A

1671-1211(2010)05-0597-03

2010-07-01;改回日期:2010-09-07

楊讓全(1982-),男,工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)工作。E-mail:yangrangquan1982@sina.com