考慮圍巖開挖響應(yīng)的巖壁吊車梁受力分析

張曉昕，王 濤，谷金操，陳 鵬，李良權(quán)

(1.中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 杭州 311122；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072)

巖壁吊車梁因可以減少開挖，有效縮短地下廠房跨度，并為后續(xù)施工提供極大便利等顯著特點(diǎn)，在水電站地下廠房中已被廣泛采用[1-15]。20世紀(jì)80年代，挪威第一次成功使用了巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)，國內(nèi)的魯布革、廣州蓄能、東風(fēng)、太平驛、小浪底、大朝山、梯子洞、溧陽蓄能和小灣等水電站地下廠房中均采用了巖錨吊車梁，根據(jù)已建工程積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，巖壁吊車梁錨桿承受雙重作用：一是地下洞室中下部開挖引起的圍巖變形，即施工過程中的中后期開挖對巖壁吊車梁的影響；二是承受吊車運(yùn)行荷載[16]。

本文依托江蘇句容抽水蓄能電站，對其地下廠房巖壁吊車梁開挖、支護(hù)受力等進(jìn)行模擬計(jì)算，探究吊車梁穩(wěn)定性及安全運(yùn)行受圍巖變形的影響，并就吊車梁結(jié)構(gòu)形式、受力特性、支護(hù)參數(shù)的合理性進(jìn)行了評述。

1 計(jì)算模型及計(jì)算條件

巖壁吊車梁錨桿布置和吊車輪壓輪距布置見圖1和圖2，取廠房典型的3#機(jī)組段建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，采用FLAC3D軟件建模，模型共有175 239個空間六面體單元及190 804個節(jié)點(diǎn)，計(jì)算范圍模型尺寸為240 m×28 m×437 m(X向×Y向×Z向)，模型網(wǎng)格見圖3。

圖1巖壁吊車梁錨桿布置(尺寸單位:mm)

圖2橋機(jī)輪壓及輪距分布(單位：mm)

圖3巖壁吊車梁FLAC模型

根據(jù)橋機(jī)資料，巖壁吊車梁輪壓荷載布置如下：Pmax(大車)為450 kN，F(xiàn)水平剎車力(大車)為70 kN，Pmax(小車)為40 kN。計(jì)算時，每個輪壓值取設(shè)計(jì)最大輪壓荷載P=450 kN，采用均布荷載進(jìn)行施加，水平剎車力通過施加指向洞內(nèi)側(cè)的水平方向剪切應(yīng)力來加以模擬。

巖壁吊車梁采用C30混凝土，變形模量為30 GPa，泊松比0.2，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.43 MPa，抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度14.3 MPa，密度2 500 kg/m3。巖體按III2類考慮，變形模量7 GPa，泊松比0.275，抗拉強(qiáng)度3.75 MPa，抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)f'=0.9～1.0，c'=0.8 MPa～1.0 MPa，濕密度2 700 kg/m3。

本文計(jì)算模擬了巖壁吊車梁隨地下廠房開挖過程中的施加過程，根據(jù)開挖分層(見圖4)，第二期開挖結(jié)束后，吊車梁進(jìn)行混凝土澆筑施工，隨后再進(jìn)行廠房第三期及以下的開挖施工作業(yè)。吊車梁上的荷載在洞室圍巖開挖完成后再進(jìn)行施加。計(jì)算分析主要考慮了以下兩種工況：(1) 施工期，吊車梁澆筑后，在洞室后續(xù)開挖過程中，吊車梁應(yīng)力變形及錨桿應(yīng)力變化規(guī)律；(2) 運(yùn)行期，施加輪壓荷載后，吊車梁應(yīng)力變形及錨桿應(yīng)力變化規(guī)律。

圖4洞室圍巖開挖分期示意圖

2 施工期巖壁吊車梁受力特性

2.1 巖壁吊車梁在施工期的位移、應(yīng)力

為便于描述，本文選取機(jī)組中心線處橫剖面對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，后續(xù)各節(jié)的分析均基于該剖面位置。在施工期隨開挖過程變化的巖壁吊車梁的位移和應(yīng)力分布見圖5—圖8。

變形方面：(1) 受到吊車梁自身的重力作用，巖壁吊車梁在與圍巖接觸的拐點(diǎn)處產(chǎn)生向下旋轉(zhuǎn)的變形趨勢，最大變形量值為0.1 mm；(2) 巖壁吊車梁澆筑完成后，洞室繼續(xù)向下開挖，下部洞室圍巖的應(yīng)力釋放效應(yīng)顯現(xiàn)出來，巖壁吊車梁出現(xiàn)朝向洞內(nèi)側(cè)且偏向上方的變形趨勢。第七期開挖完畢后，位移達(dá)到23.1 mm～31.0 mm。從量值變化上可以看出，巖壁吊車梁在澆筑后進(jìn)行的第三期及以下部位的開挖中量值增加較快。

圖5自重作用下巖壁吊車梁的合位移圖(m)

圖6巖壁吊車梁澆筑后的最大主應(yīng)力圖(Pa)

圖7第七期巖壁吊車梁的合位移圖(m)

圖8第七期巖壁吊車梁的最大主應(yīng)力(Pa)

應(yīng)力方面：巖壁吊車梁剛澆筑后，其應(yīng)力分布均勻。第七期開挖完畢后，最小主應(yīng)力增加至-1.96 MPa，最大主應(yīng)力增加至0.70 MPa，巖壁吊車梁應(yīng)力分布不均勻，巖壁吊車梁與圍巖接觸的斜面部分出現(xiàn)拉應(yīng)力，這是因?yàn)檫厜ν磧?nèi)變形，會引起巖壁吊車梁向外側(cè)翻轉(zhuǎn)的趨勢；從受力狀態(tài)來說，對比上下游側(cè)巖壁吊車梁，上游側(cè)巖壁吊車梁的受力狀態(tài)要更優(yōu)，主要是因?yàn)橄掠蝹?cè)巖壁吊車梁會受到母線洞開挖的影響。

2.2 巖壁吊車梁錨桿在施工期的應(yīng)力

巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力的變化值見表1，其中每一根錨桿從洞內(nèi)側(cè)向圍巖側(cè)劃分成10個單元，編號為1～10。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，巖壁吊車梁部位的錨桿應(yīng)力沿桿方向應(yīng)力呈現(xiàn)先小后大進(jìn)而又變小的趨勢。錨桿應(yīng)力較小的部位出現(xiàn)在混凝土內(nèi)部及圍巖深部區(qū)域；錨桿插入巖體深度的增加會導(dǎo)致錨桿應(yīng)力增大；錨桿的末端處在遠(yuǎn)離圍巖開挖擾動的區(qū)域，末端的錨桿應(yīng)力較小。

巖壁吊車梁的三排錨桿的應(yīng)力在施工期均呈增長趨勢，錨桿拉應(yīng)力最大值141.6 MPa，出現(xiàn)在下游第三排，這是因?yàn)楦浇鼑鷰r朝向洞內(nèi)側(cè)的變形很大，從而導(dǎo)致錨桿拉應(yīng)力變大，變形與應(yīng)力是匹配的。第七期開挖完成后，錨桿拉應(yīng)力基本上開始減小。

洞室所有圍巖開挖完成后，一、二排錨桿拉應(yīng)力較大值的均值在80 MPa～90 MPa左右，三排錨桿拉應(yīng)力較大值的均值在125 MPa左右。錨桿應(yīng)力值大部分均在容許范圍內(nèi)，局部區(qū)域的錨桿應(yīng)力較大。

3 運(yùn)行期巖壁吊車梁受力特性

3.1 巖壁吊車梁在運(yùn)行期加載后的位移、應(yīng)力

在運(yùn)行期加載后的巖壁吊車梁的位移和應(yīng)力分布見圖9—圖12。

變形方面：加載后，巖壁吊車梁位移分布在0.1 mm～0.2 mm，位移量值很小。巖壁吊車梁與圍巖結(jié)合部位的上部可能發(fā)生脫開現(xiàn)象?？偟膩碚f，運(yùn)行期加載后，巖壁吊車梁的變形不大，主要集中在輪壓荷載作用的范圍內(nèi)。

應(yīng)力方面：(1) 輪壓荷載作用的位置最小主應(yīng)力較大；巖壁吊車梁與圍巖接觸部位最大主應(yīng)力較大，其余部位應(yīng)力較??；(2) 總體來看，巖壁吊車梁中應(yīng)力值都較小，沒有超過材料的允許強(qiáng)度。

3.2 巖壁吊車梁錨桿在運(yùn)行期加載后的應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對比施工期和運(yùn)行期的結(jié)果，加載后的三排錨桿應(yīng)力都有所增加，但量值很小，吊車梁加載并沒有改變巖體施工期的應(yīng)力分布格局。

巖壁吊車梁運(yùn)行期加載以后，上下游側(cè)三排錨桿應(yīng)力較大值的均值在135 MPa～-65 MPa之間，大部分錨桿應(yīng)力均在容許范圍之內(nèi)，從永久運(yùn)行安全角度而言，吊車梁的安全和穩(wěn)定是可以保證的。

3.3 巖壁吊車梁與巖體接觸面安全系數(shù)

計(jì)算中采用Interface單元模擬接觸面，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取得到接觸面上的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ，積分計(jì)算得到接觸面上總的滑動力與抗滑力。本文采用《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](NB/T 35079—2016)中附錄B，求解巖壁吊車梁沿接觸面的整體抗滑安全系數(shù)。

表1 巖壁吊車梁錨桿應(yīng)力隨開挖過程的變化 單位：MPa

圖9運(yùn)行期巖壁吊車梁合位移增量圖(m)

圖10運(yùn)行期巖壁吊車梁位移矢量圖(m)

圖11運(yùn)行期巖壁吊車梁最大主應(yīng)力圖(Pa)

圖12運(yùn)行期巖壁吊車梁最小主應(yīng)力圖(Pa)

計(jì)算按照最大輪壓位于下游側(cè)的情況進(jìn)行，運(yùn)行期巖壁吊車梁的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表2所示。下游巖壁吊車梁受到最大輪壓荷載，而且會受下方母線洞開挖的影響，從而使得其安全系數(shù)要小于上游側(cè)的巖壁吊車梁。巖壁吊車梁的安全系數(shù)很高，說明安全儲備很大，運(yùn)行穩(wěn)定可以保證。

表2 運(yùn)行期巖壁吊車梁抗滑安全系數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)計(jì)算分析，抽水蓄能電站的巖壁吊車梁在洞室圍巖開挖過程中，巖壁吊車梁會產(chǎn)生朝向洞室內(nèi)側(cè)的變形，相對的變形值有20 mm～30 mm左右，考慮到這一變形因素的影響，建議洞室開挖跨度適當(dāng)增加，以滿足后期橋機(jī)安裝及運(yùn)行的要求。

(2) 所有洞室的圍巖開挖完成后，巖壁吊車梁絕大部分錨桿應(yīng)力沒有超過鋼材的材料屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，錨桿安全裕度可以較好地保證，但在局部區(qū)域需要進(jìn)行一定的加強(qiáng)支護(hù)。

(3) 巖壁吊車梁在加載前后的應(yīng)力及變形分布均較為合理，巖壁吊車梁的抗滑安全系數(shù)很高，說明巖壁吊車梁設(shè)計(jì)是合理的?？紤]到巖壁吊車梁向洞內(nèi)變形的趨勢，建議采用一定的措施保證巖壁吊車梁和周圍圍巖的接觸良好。