豐寧抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁不均勻沉降規(guī)律分析

呂鳳英，王蘭普，王 波，黃子康

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧縣 068350；2.華北科技學院應急技術(shù)與管理學院，河北省三河市 101601）

0 引言

巖錨梁是一種成熟的施工技術(shù)，節(jié)約工期，有利于施工期運行使用，及時發(fā)揮運行功能[1]。巖錨梁是由根據(jù)地下廠房地形地貌，將澆筑過后的混凝土梁與一定數(shù)量的錨桿牢牢固定在地下廠房一定高度的巖壁兩邊，其受力承重結(jié)構(gòu)由混凝土梁體與錨桿組成，梁體本身自重大小與所承受的力將其全部傳遞到地下廠房巖壁兩邊。巖錨梁在地下廠房結(jié)構(gòu)中易因多方面因素出現(xiàn)不均勻沉降，嚴重時會使廠房結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，對人員的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅。因此，分析地下廠房中巖錨梁的構(gòu)造特點與其不均勻沉降規(guī)律備受重視。

巖錨梁設計工作綜合了結(jié)構(gòu)體型設計、開挖支護方案設計和后期運行穩(wěn)定性評價等多個方面。韓曉卉、蔡波[2]探討了巖體蝕變影響區(qū)域巖錨梁的加強方案、穩(wěn)定特征以及加強效果，綜合分析認為巖錨梁增設扶壁墻結(jié)構(gòu)可有效提高巖錨梁的抗滑穩(wěn)定性；劉蕊、白威、余健[3]對清原抽水蓄能電站地下廠房巖錨梁開挖施工進行了相關技術(shù)研究，并提出了可靠的開挖方案；王長城[4]通過對烏東德水電站右岸地下廠房不良地質(zhì)段進行研究，提出了不良地質(zhì)階段巖錨梁施工方案；唐云鴻、王棚、楚龍海等[5]對白鶴灘水電站巖錨梁錨桿施工的關鍵技術(shù)進行了探究和實踐，確保了施工節(jié)點的按時完成；高飛、李端有、王志旺等[6]探究了烏東德地下廠房巖錨梁及其周圍圍巖在開挖期間的變形特性，為后期巖錨梁加固提供了技術(shù)支撐；朱浩、賀明武、張釗[7]對地下電站巖錨梁裂縫成因進行了分析，并提出合理設置伸縮縫的有效措施；時二強[8]為保證巖錨梁的安全運行，結(jié)合橋機試驗進行了巖錨梁的承載試驗，驗證了巖錨梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性和設計假定及設計結(jié)構(gòu)的合理性；王安亭、肖明、朱奎旭[9]對高地應力下巖錨吊車梁澆筑時機進行了優(yōu)化分析，保證了巖錨梁的穩(wěn)定運行；毛振凱、張西鋒[10]對烏弄龍水電站工程地下廠房巖錨梁裂縫成因進行了詳細分析，并提出了對巖錨梁裂縫進行固結(jié)灌漿或化學灌漿處理的應對措施；孫鳳利[11]通過對東湖電站地下廠房巖錨梁混凝土澆筑步驟的描述，總結(jié)了巖錨梁混凝土澆筑的部分施工技術(shù)參數(shù)，為類似工程施工提供了參考；吳慶樂、張瑞華、王建輝等[12]針對巖錨梁混凝土裂縫的各種成因，為預防混凝土裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，采用了各項技術(shù)措施并取得了有效的防控效果。綜上，在地下廠房巖錨梁的施工、運行等各個階段，眾多學者都對其進行了實踐總結(jié)和經(jīng)驗分析[13-15]。

本文根據(jù)豐寧地下廠房地形構(gòu)造與一、二期施工特點，通過對各期巖錨梁7個監(jiān)測斷面進行深入分析，將2019年9月至2020年8月的巖錨梁監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析對比，判斷巖錨梁不均勻沉降變化最大值出現(xiàn)部位，同時得出巖錨梁不均勻沉降規(guī)律與不均勻沉降原因。通過開展上述工作能夠為預防巖錨梁不均勻沉降提供理論基礎。

1 巖錨梁施工方案

巖錨梁施工方案大致可以分為三個流程，即：巖臺開挖、錨桿施工以及混凝土施工。

1.1 巖臺開挖

在對巖錨梁巖臺對應的巖壁部位開挖時，為確保開挖成型以及減小爆破震動對巖臺的影響，將巖錨梁斜臺以及爆破范圍控制在3m以內(nèi)。首先沿主廠房上下側(cè)進行預裂爆破，預裂孔孔距為70～80cm，預裂線距上、下游側(cè)邊墻之間的開挖采用光面爆破。巖錨梁斜臺以上部分采用光面爆破，同時根據(jù)地質(zhì)條件或爆破試驗效果對孔距和單孔藥量進行調(diào)整。巖錨梁開挖時兩側(cè)預留3m厚保護層，同時為了滿足后續(xù)鋼筋綁扎施工，對巖臺與上豎直面進行40～50mm的超挖。

1.2 錨桿施工

首先進行造孔施工，在使用多臂鉆機進行造孔前，首先進行測量放線標記出開孔位置，并安裝好導向支架，之后在進行開鉆造孔，鉆孔完成后將孔內(nèi)巖粉以及下傾角錨孔內(nèi)的積水和巖粉清理干凈。第二步進行下桿施工：將錨桿連同進漿管、排氣管一同預埋入錨桿孔內(nèi)，之后對孔口30～50cm范圍內(nèi)用強度等級M30的水泥砂漿封堵嚴密，避免注漿時漏漿。第三步進行錨桿注漿：首先在錨桿桿體安裝后將其固定并采用強度等級M30的水泥砂漿進行孔口封堵，封堵長度為30～50cm，并做好進漿管與排氣管的保護，上揚孔排氣管距孔底3～5cm，確保其暢通。

1.3 混凝土施工

首先架設鋼筋籠：鋼筋安裝設計前需按2m間距安裝設計架立筋，鋼筋保護層50mm，采用預制混凝土塊墊設牢固?；炷潦┕び昧喜捎贸匕柚瞥B(tài)混凝土，同時添加高效減水劑以及滿足汽車泵泵送條件。在混凝土配合比方面，粗骨料選用二級配，同時為了降低水化過程中產(chǎn)生的熱量，摻入減水劑并控制水泥用量?；炷料铝蠒r，在鋼筋密集部位、有預埋件部位、模板附近采用小功率振搗器細心振搗，同時避免觸及鋼筋以及埋件。

2 地下廠房巖錨梁分析

2.1 一期地下廠房巖錨梁不均勻沉降規(guī)律分析

根據(jù)地下洞室地質(zhì)條件與地質(zhì)特征分析，一期地下洞室一共設置了7斷面監(jiān)測如圖1所示，一期地下廠房巖錨梁附近監(jiān)測點有（如表1所示）：下游邊墻M1-5-1、M2-5-1、監(jiān)測點M3-5-1，上游邊墻M1-9-1、M2-9-1、M3-9-1，每個月相對沉降量如表2所示。

圖1 一期地下廠房監(jiān)測斷面Figure 1 Monitoring section of phaseⅠunderground powerhouse

表1 一期地下廠房巖錨梁監(jiān)測點位置Table 1 Position of rock anchor beam monitoring points for phaseⅠunderground powerhouse

表2 一期地下廠房巖錨梁上游邊墻監(jiān)測點相對沉降量Table 2 Relative settlement of upper side wall monitoring point of rock anchor beam in phaseⅠunderground powerhouse

續(xù)表

由表2得出一期地下廠房巖錨梁監(jiān)測點M2-9-1與M1-9-1相對沉降量變化最大為0.17mm，發(fā)生在2020年2月，與監(jiān)測點M3-9-1與M2-9-1相比整體發(fā)生較大變化，但隨時間推移沉降量變化相對平穩(wěn)，且無較大差異變化，說明巖錨梁不勻均沉降變化相對較平穩(wěn)。

對于監(jiān)測點M1-9-1在2019年9月～2020年8月出現(xiàn)較為明顯的不均勻沉降現(xiàn)象，結(jié)合一期廠房施工方案以及現(xiàn)場勘探后，出現(xiàn)不勻均沉降的原因為：在前期進行巖臺開挖工作時，雖然對巖臺實體進行了預支護，但在進行爆破以及爆破結(jié)束后對巖臺邊墻未能進行封閉處理，導致其保護層在開挖結(jié)束后因應力釋放致使巖臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏移，誘發(fā)巖錨梁出現(xiàn)不均勻沉降。為防止此處巖錨梁再次出現(xiàn)不均勻沉降，在巖臺與巖錨梁嫁接處，采用灌縫措施對裂縫進行填充，同時對嫁接處加強支護。通過后期監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，雖然監(jiān)測點M1-9-1從2019年9月～2020年8月監(jiān)測變化相對于監(jiān)測點M2-9-1和M3-9-1發(fā)生位移量變化起伏較明顯，但由于對其進行加強支護的原因，因此之后監(jiān)測點M1-9-1雖然發(fā)生沉降，但沉降范圍都在允許范圍內(nèi)。

由圖2可知：巖錨梁下游邊墻監(jiān)測點M2-5-1相對于M1-5-1沉降量變化最大范圍出現(xiàn)在2020年2月，相對沉降量為0.1mm，監(jiān)測點M3-5-1與M2-5-1相對沉降量最大為0.03mm，說明下游邊墻巖錨梁監(jiān)測點圍巖結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

圖2 一期地下廠房巖錨梁下游邊墻監(jiān)測點相對沉降量Figure 2 Relative settlement of rock anchor beam downstream side wall monitoring points in the first stage underground powerhouse

由表3得出一期地下廠房巖錨梁上、下邊墻監(jiān)測點M1-9-1發(fā)生沉降量最大為-0.16mm，且監(jiān)測點M1-5-1與M1-9-1前期沉降量變化起伏相對于監(jiān)測點M2-9-1、M2-5-1、M3-5-1、M3-9-1、M3-5-1變化較大，不均勻沉降在此階段（2019年9月～2020年6月）容易出現(xiàn)且較為嚴重，通過對現(xiàn)場進行勘探，在此時間段內(nèi)相對沉降較為明顯的原因為：在進行巖錨梁錨桿施工時，由于邊墻兩根錨桿的所能承受的極限荷載不同，前期沉降隨錨桿應力同步增長，當其中一根錨桿達到極限承載力時，另一根錨桿卻未能達到，由此會引發(fā)變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，當變形不協(xié)調(diào)過于顯著時，錨桿不足以阻止邊墻裂縫的擴展，進而由于支護不足引發(fā)不均勻沉降。為防止其后期再次發(fā)生此類現(xiàn)象，選用極限承載能力相近的兩根錨桿對其進行加強支護，同時對已經(jīng)發(fā)生沉降相對較大的區(qū)域進行二次支護。通過后期監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，隨時間推移沉降量變化相對平穩(wěn)，且無較大差異變化，說明支護措施較為明顯。

表3 一期地下廠房巖錨梁上下游邊墻相對沉降量Table 3 Relative settlement of upper and lower side walls of rock anchor beam in underground powerhouse

相對沉降量中監(jiān)測點M1-9-1與M1-5-1、監(jiān)測點M2-9-1與M2-5-1、監(jiān)測點M3-9-1與M3-5-1前期變化起伏較為明顯，對其加強支護后相對沉降量變化趨勢較為平穩(wěn)，但仍需進行監(jiān)測分析，防止巖錨梁發(fā)生不均勻沉降，之后相對沉降量監(jiān)測點M2-9-1與M2-5-1、監(jiān)測點M3-9-1與M3-5-1雖然發(fā)生沉降，但沉降范圍都在允許范圍內(nèi)。

由圖3可知：一期廠房上、下游邊墻Ⅰ-Ⅰ斷面巖錨梁監(jiān)測點相對沉降量波動比Ⅱ-Ⅱ截面與Ⅲ-Ⅲ截面較大，對于該區(qū)域需要及時采取支護措施防止其再次出現(xiàn)不勻均沉降；上、下右邊墻相對沉降量在2020年6月都較為平穩(wěn)，說明在該時間段內(nèi)右邊墻沒有發(fā)生大的不勻均沉降，認為其沉降穩(wěn)定，但仍需要對其加強監(jiān)測。

圖3 一期地下廠房巖錨梁上下游邊墻相對沉降量Figure 3 Relative settlement of upper and lower side walls of rock anchor beam in PhaseⅠunderground powerhouse

2.2 二期地下廠房巖錨梁不均勻沉降規(guī)律分析

根據(jù)地下洞室地質(zhì)條件與地質(zhì)特征分析，二期地下洞室也設置了7斷面監(jiān)測，如圖4所示，二期地下廠房巖錨梁附近監(jiān)測點有（如表4所示）：上游邊墻M5-6-1、M6-6-1、監(jiān)測點M7-6-1，下游邊墻M5-7-1、M6-7-1、M7-7-1，每個月相對沉降量如表5所示。

表4 二期地下廠房巖錨梁監(jiān)測點位置Table 4 Location of rock anchor beam monitoring points of underground powerhouse in phase II

表5 二期地下廠房巖錨梁上游邊墻監(jiān)測點相對沉降量Table 5 Relative settlement of upper side wall monitoring point of rock anchor beam in phaseⅡunderground powerhouse

圖4 二期地下廠房監(jiān)測斷面Figure 4 Monitoring Section of PhaseⅡUnderground Powerhouse

由表5得出二期地下廠房巖錨梁上游邊墻監(jiān)測點M5-6-1、M7-6-1相對沉降量變化最大為±0.12mm，發(fā)生在2019年9月與2019年12月，與監(jiān)測點M6-6-1相比整體發(fā)生較大變化，但隨時間推移沉降量變化相對平穩(wěn)，且無較大差異變化，說明巖錨梁不勻均沉降變化相對較平穩(wěn)。

監(jiān)測點M7-6-1從2019年9月～2020年8月監(jiān)測變化相對于監(jiān)測點M5-6-1、M7-6-1監(jiān)測點發(fā)生位移量變化起伏較明顯，尤其是在2019年9月～2020年2月，在此監(jiān)測時間段內(nèi)對其進行加強支護，防止巖錨梁再次發(fā)生不均勻沉降，之后監(jiān)測點M7-6-1雖然發(fā)生沉降，但沉降范圍都在允許范圍內(nèi)，計算巖錨梁上游邊墻監(jiān)測點相對沉降量M5-6-1與M6-6-1、M6-6-1與M7-6-1可知巖錨梁上游邊墻變化差異相同，整體較為穩(wěn)定。

由圖5可知：M5-6-1與M6-6-1相對沉降量最大值為0.13mm，發(fā)生2019年9月，隨后相對沉降量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而M6-6-1與M7-6-1相對沉降量都在-0.08～0.03mm之間，說明二期地下廠房巖錨梁上游邊墻圍巖在近期沒有發(fā)生明顯的不均勻沉降，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖5 二期地下廠房巖錨梁上游邊墻監(jiān)測點相對沉降量Figure 5 Relative settlement of upper side wall monitoring points of rock anchor beam in phase II underground powerhouse

由表6得出二期地下廠房巖錨梁上、下邊墻監(jiān)測點M5-7-1發(fā)生沉降量最大為0.06mm，且監(jiān)測點M6-7-1與M7-7-1整體沉降量變化起伏相對較為平穩(wěn)，說明在此時間段內(nèi)巖錨梁上、下邊墻圍巖沒有發(fā)生明顯的不勻均沉降，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

由圖6可知：二期地下廠房巖錨梁監(jiān)測點M5-7-1與M6-7-1相對沉降量最大為-0.04mm，而M6-7-1與M7-7-1相對沉降量最大為-0.03mm，都無較大波動范圍，說明二期廠房巖錨梁下游邊墻較穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的不勻均沉降。

圖6 二期地下廠房巖錨梁下游邊墻監(jiān)測點相對沉降量Figure 6 Relative settlement of downstream side wall monitoring points of rock anchor beam in phase II underground powerhouse

3 地下廠房巖錨梁不均勻沉降原因分析

（1）地質(zhì)條件影響。

河北豐寧地下廠房所在地巖性主要為三疊干溝門單元中的粗?；◢弾r，這類花崗巖多為碎裂結(jié)構(gòu)以及塊狀構(gòu)造，開挖后易形成蝕變帶，蝕變帶內(nèi)的巖石強度低，且容易受到外界荷載的影響造成其失穩(wěn)破碎。當巖錨梁一部分處于蝕變帶附近時，蝕變帶內(nèi)的碎裂花崗巖由于突然承受外在荷載導致其迅速破碎，從而引起巖錨梁部分結(jié)構(gòu)在蝕變帶內(nèi)的突然滑移，進而引起整支巖錨梁的不均勻沉降。

（2）前期施工連接處不到位。

在前期進行巖錨梁施工時，施工工作存在問題，如巖臺爆破及邊墻開挖時未能處理好巖臺與邊墻處的嫁接工作；錨桿施工時選用錨桿的承載能力等。上述問題的存在易引發(fā)整個結(jié)構(gòu)的兩端受力不均從而導致出現(xiàn)不均勻沉降。

（3）巖錨梁混凝土施工影響。

巖錨梁在地下廠房的開挖及后期的運行過程中常常出現(xiàn)橫向裂縫和縱向裂縫，其中，縱向裂縫對巖錨梁的受力性能影響更大。由于混凝土用料強度低等施工因素影響會導致巖錨梁出現(xiàn)縱向裂縫以及表面裂隙，當隨著第一條主裂縫的出現(xiàn)，伴生裂縫便開始出現(xiàn)并逐漸發(fā)育，由于裂縫及表面裂隙的存在，使巖錨梁原本的極限承載下降，當巖錨梁因受力超出所能承受的受力界限，進而引起塑性變形，由于裂縫及表面裂隙的發(fā)育程度不同，從而引起不同部位的不同變形，梁發(fā)生不均勻變形，進而引起整支梁不均勻沉降。

（4）貫穿性軟弱夾層的影響。

夾層的存在對巖錨梁的應力變化影響很大，處于夾層附近的巖錨梁部分往往由于夾層的存在出現(xiàn)受力異常。由于廠房的下臥開挖，圍巖所處的應力狀態(tài)在不斷發(fā)生變化，處于高邊墻上的夾層巖體應力狀態(tài)也會發(fā)生相應的變化。位于夾層附近的梁體和距離夾層較遠的梁體由于所受應力的不同發(fā)生不同程度的變形，這種因受力不同引起整個梁體發(fā)生的不均勻變形進一步發(fā)展，就會誘發(fā)整支巖錨梁的不均勻沉降。

4 地下廠房巖錨梁不均勻沉降防治措施

對于上述出現(xiàn)的巖錨梁不均勻沉降問題，一方面原因是受地質(zhì)條件的影響，另一方面為巖錨梁受力不均引發(fā)不均勻變形所致，因此，預防巖錨梁不均勻沉降要綜合考慮地質(zhì)環(huán)境與后期支護等多方面要素。一方面，對于巖錨梁架設地段的選取要選擇易于開挖且?guī)r性穩(wěn)定的巖壁區(qū)域，要盡量避開蝕變帶、斷裂層等地質(zhì)不穩(wěn)的地段；另一方面，要加強巖錨梁的支護工作，加強對巖錨梁的變形檢測，對于已經(jīng)出現(xiàn)變形或裂縫的巖錨梁—巖壁區(qū)域可以采取灌縫、打錨桿等支護措施防止巖錨梁與巖壁出現(xiàn)再生裂縫，將巖錨梁變形控制在裂縫初生階段。

此外，在施工階段，一是充分考慮前期巖臺開挖時爆破震動的影響，必要時，可以減少爆破所需的炸藥用量，同時在爆破完成后加強巖臺與邊墻連接處的搭接工作；在混凝土用料方面可以適量摻入冷骨料或摻加劑，防治混凝土因溫度原因引起開裂；錨桿施工階段對錨桿進行承載能力測試，選取承載力相接近的錨桿進行施工等。

5 結(jié)論

（1）通過對一期廠房上下游邊墻巖錨梁進行分析：一期廠房上、下游邊墻Ⅰ-Ⅰ斷面巖錨梁監(jiān)測點與Ⅱ-Ⅱ截面與Ⅲ-Ⅲ截面監(jiān)測點都有波動，但經(jīng)過采取支護措施進行補救后，上、下右邊墻相對沉降量在2020年6月都出現(xiàn)平穩(wěn)，說明后期對巖錨梁進行相應支護使得一期廠房沉降較穩(wěn)定。

（2）二期廠房上下游邊墻最大沉降量為0.13mm，發(fā)生于2019年9月，監(jiān)測點為M5-6-1與M5-7-1，且隨后并未出現(xiàn)較大沉降，而監(jiān)測點M6-6-1與M6-7-1、M7-6-1與M7-7-1的相對沉降量始終在-0.04～0.01mm之間，說明上下游邊墻沉降較為平穩(wěn)。

（3）通過河北豐寧地下廠房洞室群的地質(zhì)地貌特征，分析廠房開挖后巖體蝕變較為嚴重，主要存在廠房左端墻附近，巖體松弛變形較大，對施工開挖影響較大，地下廠房圍巖變形隨深度增加而減小，位移較大區(qū)域主要集中在淺部13m范圍內(nèi)，施工開挖時需進行監(jiān)測與加強支護。

（4）引起巖錨梁不勻均沉降的原因：外界地質(zhì)條件影響，施工階段施工措施不到位以及后期支護不足等。因此，對于防治巖錨梁發(fā)生不均勻沉降一方面要考慮地質(zhì)選取，另一方面在施工階段，要充分考慮前期施工對后期可能造成的影響，如巖臺爆破、混凝土用料等方面。對于已經(jīng)發(fā)生變形的巖錨梁部分，及時采取支護措施防止其發(fā)生二次沉降。