噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構與工程應用

馮 梅，樊熠瑋，廖成剛，侯東奇

(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

噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構是在工程實踐中提出的一種新型的支護結構型式，主要應用于大中型地下洞室頂拱不良地質地段的圍巖支護。大朝山水電站地下廠房在國內首次采用“鋼筋肋拱+噴射鋼纖維混凝土”柔性支護技術，成功代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土襯砌，節(jié)約工程投資2 000萬元，取得良好的社會經濟效益[1]。錦屏一級水電站地下廠房洞室群在開挖過程中，受高地應力、巖體強度相對較低、斷層等特殊地質因素影響較大，為確保不良地質地段的支護力度，同時方便施工，在支護設計上較多地采用了這種支護型式。

2 結構設計與施工過程

噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構充分利用了噴混凝土及時快速對圍巖開挖面進行封閉的優(yōu)點，同時采用鋼筋拱架增強了噴層的剛度和強度，可以在常規(guī)噴射厚度的基礎上適當增加噴層厚度，從而為圍巖提供更大的側向壓力。鋼筋拱架可根據(jù)實際開挖斷面現(xiàn)場制作和安裝，遇到超挖嚴重的地方，還可以增加附拱或改變鋼筋形式，使肋拱鋼筋緊貼開挖面，起到良好的柔性支護作用。雖然其在強度和剛度上不及鋼筋混凝土襯砌，但鋼筋肋拱結構能充分發(fā)揮圍巖的自身承載作用，且結構設計簡單，制作方便，能適應現(xiàn)場施工的需要，快速對圍巖進行支護，保證了圍巖支護的及時性，對圍巖穩(wěn)定十分有利。特別是對于大中型地下洞室的頂拱支護，當遇到斷層、軟弱夾層等不利地質條件時，采用噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構是較好的選擇。

根據(jù)國家標準《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》[2]的規(guī)定，錨噴支護設計宜以工程類比法為主，設計參數(shù)主要由圍巖類別和洞室規(guī)模決定。常見的掛網噴護設計厚度為50～200mm，規(guī)范建議一般情況下不宜超200mm，掛網鋼筋多為φ8～φ12。工程實踐證明，對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，在外部地應力屬于低～中等強度的情況下，這樣的設計參數(shù)是比較合適的；但對于外部地應力較高，巖體條件較差一些的Ⅲ類、Ⅳ類或巖體條件相對好一些的Ⅴ類圍巖，特別是出現(xiàn)斷層或裂隙較發(fā)育時，上述錨噴支護的強度就顯得有點弱，需要適當提高支護強度。提高支護強度一方面可以提高噴射混凝土的強度等級，采用C25、C30等，或者采用聚乙烯或鋼纖維混凝土等；另一方面需要提高鋼筋網的強度，以合理抑制圍巖較大的變形和破壞效應，這種情況下噴射混凝土鋼筋肋支護結構就更為合適。相比較而言，噴射混凝土鋼筋肋拱的支護強度處于一般的錨噴和襯砌混凝土之間，可以在巖體條件合適的情況下替代襯砌混凝土作為圍巖的復合支護措施。

噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構由噴射混凝土、鋼筋拱架、系統(tǒng)連接錨桿和局部固定錨筋等組成。噴射混凝土為常規(guī)噴混凝土或鋼纖維混凝土，強度等級為C25或C30等，根據(jù)工程實際情況選擇。采用纖維混凝土時，纖維的摻量要合適，建議在試驗的基礎上確定。筆者在工程實際中發(fā)現(xiàn)，鋼纖維在地下水入滲的情況下容易生銹，故應注意加強排水。鋼筋拱架可根據(jù)實際開挖斷面的量測數(shù)據(jù)現(xiàn)場制作，采用單層或雙層鋼筋拱架，也可以單、雙層間隔使用，鋼筋直徑以20～36mm比較合適。系統(tǒng)連接錨桿利用頂拱圍巖系統(tǒng)砂漿錨桿，將其外露部分與鋼拱架焊接，以起到固定拱架和聯(lián)合受力的作用。局部固定錨筋主要包括施工用固定插筋和鎖腳錨桿或錨索等；或在鋼筋拱架端部圍巖區(qū)開挖形成小拱座，以輔助支撐拱架。肋拱厚度的設計，筆者結合錦屏一級地下廠房洞室群支護設計的實踐和現(xiàn)場觀察到的效果，建議單層拱鋼筋拱架以20～30mm比較合適，雙層以30～40mm要好一些。具體設計時還要充分考慮洞室的規(guī)模和地質條件，結合現(xiàn)場施工水平選擇合適的參數(shù)。

噴射混凝土鋼筋肋拱支護施工過程為：系統(tǒng)砂漿錨桿安裝→初噴混凝土(厚度約5cm)→鋼拱架現(xiàn)場制作→鋼拱架安裝→鎖腳處理→分序施噴混凝土→質量評定與修補。當采用雙層鋼拱架時，應分層安裝，分層施噴，分層厚度以15～20cm為宜。分序施噴混凝土時，應以5cm厚度分序，在上一序達到設計要求時再施噴下一序。實際施工時需要做好系統(tǒng)錨桿和鋼拱架之間的焊接連接，以及保證施噴混凝土的密實性，確保肋拱質量和工程安全。

值得注意的是，每一個具體的洞室或洞室群，總是賦存于特定的地質環(huán)境中，洞室的穩(wěn)定受到特殊地質條件(諸如地應力、巖性、地下水、斷層以及節(jié)理裂隙等)、洞線布置和洞室開挖規(guī)模等眾多因素的控制，圍巖穩(wěn)定收斂過程十分復雜，支護系統(tǒng)的力學狀態(tài)差異很大。因此，在噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構的具體設計和施工過程中，要充分考慮洞室所處的實際地質環(huán)境。一般情況下，地應力、巖石力學性能、斷層和節(jié)理裂隙、地下水等在空間上都存在較明顯的變異性，分布很不均勻，容易在洞室頂拱形成不對稱受力狀態(tài)，產生偏壓現(xiàn)象。容易理解，在頂拱部位的拱腳應力比較集中，當洞室高度相對較大時，集中區(qū)域具有向拱弧上移的趨勢。為了克服這種對圍巖穩(wěn)定十分不利的力學狀態(tài)，肋拱設計時要加強固腳設計，可采用鎖腳錨桿或錨筋束，也可用錨索或錨梁等，必要時可將拱腳開挖輪廓線設計為斜面以支撐頂拱壓力。當偏壓現(xiàn)象比較嚴重時，宜對結構穩(wěn)定影響較大一側的拱弧至拱腳部位適當進行加強支護，如加密系統(tǒng)連接錨桿、增加局部加強錨索或錨梁，使肋拱受力達到均衡狀態(tài)。

3 工程應用

3.1 工程背景

錦屏一級水電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置于壩區(qū)右岸，地下廠區(qū)洞室群規(guī)模巨大，主要由引水洞、地下廠房、母線洞、主變室、尾水調壓室和尾水洞等組成，三大洞室平行布置。地下廠房位于大壩下游約350m的山體內，水平埋深約110～300m，垂直埋深約180～350m。廠房軸線NW65°，廠內安裝6臺600MW機組，廠房全長276.99m，吊車梁以下開挖跨度25.60m，以上開挖跨度28.90m，開挖高度68.80m；其中主機間尺寸為204.52m×25.90m×68.80m(長×寬×高)。主變室位于主廠房下游，頂拱中心線與主廠房軸線間距67.35m，長197.10m，寬19.30m，高32.70m。設置兩個圓形尾水調壓室，采用“三機一室一洞”布置型式。

3.2 工程地質條件

廠區(qū)地質條件十分復雜，涉及巖性為雜谷腦組第二段第2、3、4層大理巖夾綠片巖，圍巖類別以Ⅲ1類為主，飽和單軸抗壓強度Rb為60～75MPa。巖體強度應力比(Rc/σmax)為1.5～4，屬于極高～高地應力區(qū)域?？裳须A段測試成果顯示，地下廠區(qū)最大主應力σ1=20～35.7MPa，σ2=10～20MPa，σ3=4～12MPa。σ1的方向介于N28.5°W～N71°W之間，平均N48.7°W，σ1傾角約20°～50°，平均傾角34.2°。

地下廠區(qū)主要發(fā)育有NE向的f13、f14、f18三條斷層，較規(guī)模大，斷層走向與廠房軸線約呈45°角；與f18斷層相伴發(fā)育有灰綠色云斜煌斑巖脈(X)，分布于主廠房空調機房、第一副廠房、主變室及尾水調壓室等位置，一般寬2～3m，局部達7m，大多巖性較差，屬Ⅳ～Ⅴ類巖體。此外還有NEE～EW向和NW～NWW向的小斷層，以及四組主要節(jié)理裂隙：①N40°～60°E，NW∠25°～35°；②N50°～70°E，SE∠50°～80°；③N50°～70°W，NE(SW)∠80°～90°；④N25°～40°W，NE(SW)∠80°～90°。地下水較活躍，特別是斷層附近多表現(xiàn)為滲水、滴水，甚至涌水。

3.3 肋拱結構設計

廠區(qū)特殊的地質條件給洞室群開挖支護設計和施工等帶來了很大的困難。為了滿足洞室開挖后圍巖穩(wěn)定的要求，同時方便現(xiàn)場施工、及時支護，針對頂拱部位斷層主錯帶及影響帶范圍，采用了噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構型式。

f13斷層斜穿過廠房安裝間部位，斷層帶起伏，主錯帶寬1～2m，最寬達3m，主要由碎裂巖、角礫巖、糜棱巖構成，膠結，擠壓緊密，多強風化。斷層下盤影響帶寬約1～3m，破碎，呈鑲嵌碎裂結構，但嵌合緊密；上盤影響帶寬10～20m，受斷層及地下水影響，帶內裂面普遍強烈銹染。該斷層對安裝間洞室穩(wěn)定十分不利，影響范圍較大。斷層主錯帶為Ⅴ類圍巖，影響帶區(qū)域主要為Ⅳ類圍巖，局部為Ⅲ2類圍巖。頂拱開挖支護設計中采用了雙層噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構，肋拱厚度50cm(內層30cm，外層20cm)，榀距1.6～2.0m。內層采用雙向布筋，鋼筋直徑為20mm(沿廠房軸線方向)和25mm(洞室剖面方向)；外層采用單向布筋，鋼筋直徑為36mm(洞室剖面方向)，通過連接筋與內層焊接?，F(xiàn)場施工次序為：初噴5～8cm鋼纖維混凝土→系統(tǒng)錨桿→鋼筋肋拱制作與安裝→按照設計要求分序施噴混凝土。圍巖安全監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，支護效果良好，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，也鮮見明顯的表面噴層裂縫出現(xiàn)。相鄰肋拱之間噴混凝土厚度由圓弧線過渡。

f14斷層穿過廠房主機間、主變室以及1號尾水調壓室等洞室。斷層帶起伏，總體產狀N60°～70°E/SE∠70°～80°，破碎帶寬度0.2～3.5m。上、下盤影響帶寬度一般3～5m，局部近20 m，風化較強，巖體呈黃色。f18斷層沿后期侵入的煌斑巖脈和大理巖的接觸面發(fā)育，大角度斜穿河床延至右岸，產狀N70°E /SE∠70°～80°，帶寬20～40cm，主要由灰黑色糜棱巖、角礫巖組成。后期侵入的煌斑巖脈，產狀N60°～75°E/SE∠60°～75°，脈厚一般2～4m，在頂拱形狀不規(guī)則，局部僅厚5～80cm，且不連續(xù)。斷層主錯帶和煌斑巖脈帶為Ⅴ類圍巖，影響帶區(qū)域主要為Ⅳ類圍巖，局部為Ⅲ2類圍巖。f14斷層、f18斷層及煌斑巖脈對主廠房和主變室的洞室穩(wěn)定有很大影響，開挖支護設計同樣采用了噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構。主廠房f14斷層帶采用雙層鋼筋肋拱，內外層鋼筋之間通過連接筋相互焊接，同時與頂拱系統(tǒng)錨桿焊接；肋拱厚度40cm(內層20cm，外層20cm)，間距1.2～1.5m，鋼筋直徑36mm；根據(jù)斷層主錯帶寬度相對較小、影響帶內巖體質量稍差的特點，肋拱與肋拱之間沒有布置水平連接筋。主變室f14斷層帶和f18斷層帶與煌斑巖脈部位均采用單層肋拱，厚度20cm，間距1.5m，鋼筋直徑36mm。

應該關注的是，受地應力和巖層產狀等因素的影響，主廠房f14斷層范圍內的肋拱下游拱弧至拱腳部位出現(xiàn)了規(guī)模性裂縫，鋼筋內鼓，裂縫長達1～3m，寬約1～10cm，局部深度達5～10cm以上，十分發(fā)育。通過深入分析認為，這種現(xiàn)象與主應力和巖層產狀的方向性密切相關，屬于典型的偏壓現(xiàn)象。為了保證圍巖穩(wěn)定和肋拱結構安全，施工中在下游拱腳和拱弧部位進行了錨梁加固。錨梁為局部加強小噸位錨索+鋼板梁的復合支撐結構，利用錨梁將相互獨立的肋拱連接成整體受力結構，提高了強度和剛度。

4 結束語

噴射混凝土鋼筋肋拱支護結構是一種新型的地下洞室頂拱支護形式，特別適用于大中型地下洞室或地質條件比較差的洞段。由筆者參與設計的幾項工程實踐證明，鋼筋肋拱結構設計簡單，投資節(jié)省，施工方便，能快速及時地提供圍巖側向壓力，支護效果良好，有利于洞室穩(wěn)定，在特定條件下可替代鋼筋混凝土襯砌。在結構設計和施工過程中，要充分考慮各種外部因素，包括地質水文條件，制定完善的噴射混凝土施工工藝，深入分析洞室受力特點，加強監(jiān)測資料反饋分析等，做到具體情況具體設計，保證結構設計安全、經濟、合理，施工質量可靠。

[1] 侯建華，錢繼源.大朝山水電站地下廠房開挖與支護施工技術[J].浙江水利科技，2005(5)：56-59.

[2] 程良奎，等.GB50086-2001《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[3] 王敬武，范建章，張淑梅，等.鋼纖維噴混凝土加肋拱技術在地下廠房頂拱支護中的應用[J].水力發(fā)電，2001(12)：43-45.

[4] 李仲奎，徐千軍，張志增，等.雅礱江錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期快速監(jiān)測與反饋分析，科研成果報告(一)～(九)[R].北京：清華大學水利水電工程系，2007.

[5] 周鐘，湯雪峰，廖成剛，等.雅礱江錦屏一級水電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護、廠房主要結構設計報告[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2007.

[6] 周鐘，龔滿福，侯東奇，等.四川省雅礱江錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工期圍巖穩(wěn)定與支護設計報告，特咨團第二次會議咨詢材料之四[R].成都：中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2008.