超大型地下洞室拱圈支護(hù)錨桿應(yīng)力特性分析

左大偉，陳運(yùn)濤，吳浩，劉健，朱趙輝，李秀文

（1.天津津港建設(shè)有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

0 引言

錨桿是應(yīng)用于洞室施工中簡(jiǎn)便易行的支護(hù)工具之一，在水利工程地下洞室施工中大量應(yīng)用，錨桿植于圍巖內(nèi)部，改善圍巖受力狀態(tài)，使被動(dòng)變形的巖體轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的承載結(jié)構(gòu)，從而圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變成共生的相互作用體系。按照錨桿的錨固形式分為機(jī)械式、粘結(jié)式和摩擦式3類，根據(jù)錨固位置又分為端頭錨固與全長(zhǎng)錨固2類，其中全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿應(yīng)用最廣，在大型地下洞室、礦山和隧洞等工程中用量最大。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿的作用機(jī)制從模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算兩方面進(jìn)行了深入研究，如葛修潤(rùn)等[1]、張治強(qiáng)等[2]通過(guò)試驗(yàn)探討了錨桿對(duì)節(jié)理巖體強(qiáng)度的影響，F(xiàn)errero[3]進(jìn)行剪切試驗(yàn)提出了影響錨固巖體強(qiáng)度的因素有錨桿材質(zhì)、桿體尺寸及巖體類型，李術(shù)才等[4]、尤春安[5]、陳云娟等[6]通過(guò)理論數(shù)值計(jì)算得出了錨桿錨固效應(yīng)的一系列規(guī)律。隨著工程安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等圍巖穩(wěn)定關(guān)鍵控制性變量可以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿的加固機(jī)制研究拓寬了思路和手段。

1 項(xiàng)目概述

1.1 工程概況

白鶴灘水電站坐落于金沙江流域，橫跨云南與四川兩省，是當(dāng)前在建的世界第一大水電站，2022年6月已有8臺(tái)百萬(wàn)千瓦水輪發(fā)電機(jī)組（共16臺(tái)機(jī)組）投產(chǎn)發(fā)電。主副廠房洞按一字形布置，由南至北依次布置副廠房、輔助安裝場(chǎng)、機(jī)組段、安裝場(chǎng)和空調(diào)機(jī)房，垂直埋深約260～330 m，總長(zhǎng)438 m，高88.7 m，巖壁梁以下寬為31.0 m，以上寬為34.0 m，是世界上跨度最大的地下洞室。

洞室?guī)r性主要為P2β31層斜斑玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、隱晶質(zhì)玄武巖，局部發(fā)育第三類柱狀節(jié)理玄武巖。圍巖以Ⅲ1類圍巖為主，局部分布少量Ⅳ類圍巖。廠區(qū)內(nèi)長(zhǎng)達(dá)裂隙、斷面發(fā)育，拱圈區(qū)域受緩傾角層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶作用明顯，開(kāi)挖期間實(shí)測(cè)頂拱及拱肩、拱腳累計(jì)變形最大，因此本文將拱圈作為研究的主要區(qū)域，圖1所示為廠區(qū)主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面空間分布圖。

圖1 主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)面空間分布圖Fig.1 Layout of spatial distribution of main geologic structures

1.2 監(jiān)測(cè)布置

左岸地下廠房設(shè)8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，布設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、位錯(cuò)計(jì)、滑動(dòng)測(cè)微孔等，如圖2所示。廠房拱圈布設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器以多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)為主，理論與實(shí)踐表明，圍巖差異變形與錨桿應(yīng)力為耦合互饋關(guān)系[7]，因此，文中分析從圍巖變形入手進(jìn)而研究錨桿應(yīng)力響應(yīng)特征。

圖2 左岸地下廠房監(jiān)測(cè)布置圖Fig.2 Monitoring layout of the underground powerhouse on the left bank

2 圍巖變形與錨桿響應(yīng)分析

2.1 圍巖變形破壞特征

白鶴灘左岸地下廠房巖體以柱狀節(jié)理玄武巖，具有明顯的脆性特征，且初始地應(yīng)力大，圍巖的應(yīng)力強(qiáng)度比值高，易發(fā)生圍巖變形破壞。同時(shí)，洞室跨度長(zhǎng)，局部圍巖差異大，因此在拱圈開(kāi)挖初期，圍巖變形表現(xiàn)了不同形式，總體上可分為穩(wěn)定型和持續(xù)上升型[8]。進(jìn)一步分析持續(xù)上升型所引起的圍巖變形破壞分為應(yīng)力控制型、結(jié)構(gòu)面控制型、應(yīng)力-結(jié)構(gòu)面復(fù)合控制型3類。

1）應(yīng)力控制型破壞

應(yīng)力控制型破壞是因廠房埋深大，地應(yīng)力高，造成圍巖巖爆、片幫和破裂等，主要發(fā)生在開(kāi)挖面淺表層，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶LS3152影響洞段片幫剝落，深度一般為10～30 cm。這主要是地應(yīng)力過(guò)大致使洞周產(chǎn)生切應(yīng)力集中[8]。從空間分布上看，片幫破壞主要發(fā)生在完整硬巖部位，與層間錯(cuò)動(dòng)帶等軟弱地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)性小。

2）結(jié)構(gòu)面控制型破壞

與應(yīng)力控制型破壞相反，結(jié)構(gòu)面控制型圍巖發(fā)生的破壞與錯(cuò)動(dòng)帶、裂隙發(fā)育相關(guān)，主要表現(xiàn)形式為沿緩傾角結(jié)構(gòu)面的塌落、掉塊，受錯(cuò)動(dòng)帶、陡傾角裂隙組合等控制。地質(zhì)揭露，廠房頂拱圍巖內(nèi)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶LS3152發(fā)育，當(dāng)臨空面至此時(shí)，易發(fā)生圍巖局部掉塊現(xiàn)象。廠房南端墻至左廠0+30樁號(hào)拱肩至頂拱位置揭露層內(nèi)緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶LS3152區(qū)域巖體較為破碎，發(fā)生較大范圍塌落，塌落區(qū)域呈條帶狀，前后延伸范圍超過(guò)30 m，寬約7.5 m，剛開(kāi)挖時(shí)塌落深度0.2～0.5 m，III層開(kāi)挖完增加至1～2 m。左岸地下廠房在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生局部掉塊現(xiàn)象，主要在NW向陡傾角裂隙影響下掉塊，規(guī)模較小，影響深度一般小于30 cm。

3）應(yīng)力-結(jié)構(gòu)面復(fù)合控制型破壞

白鶴灘左岸廠房跨度高達(dá)34 m，全斷面無(wú)法一次開(kāi)挖成型，頂部拱圈采用“先中導(dǎo)后擴(kuò)挖”方式。分序作業(yè)導(dǎo)致圍巖卸荷分步完成，拱圈圍巖應(yīng)力多次調(diào)整，局部范圍出現(xiàn)應(yīng)力集中。疊加巖石結(jié)構(gòu)面的作用，層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶影響洞段出現(xiàn)較為明顯的“彎曲折斷”、“鼓出塌落”破壞現(xiàn)象，該現(xiàn)象在廠房上游側(cè)較為明顯，洞室成型較差。圍巖破壞面與洞軸方向近于平行，發(fā)生位置主要集中在上游側(cè)拱肩（腳）部位。破壞機(jī)制受結(jié)構(gòu)面及應(yīng)力集中兩方面的影響。

2.2 支護(hù)錨桿應(yīng)力響應(yīng)

左岸廠房采用“噴錨支護(hù)、局部加強(qiáng)、隨機(jī)支護(hù)”三者結(jié)合的形式，針對(duì)拱圈圍巖變形特征，錨桿對(duì)受錯(cuò)動(dòng)帶或結(jié)構(gòu)面控制的不穩(wěn)定塊體有主動(dòng)約束作用。對(duì)錯(cuò)動(dòng)帶影響洞段的開(kāi)挖期錨桿應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，占70%的錨桿處于低應(yīng)力或中低應(yīng)力狀態(tài)（應(yīng)力值小于50 MPa和50～150 MPa分別占43.33%和31.67%），應(yīng)力值在250～400 MPa及超量程（應(yīng)力值大于400 MPa）的比例分別為8.33%與5.00%，高應(yīng)力狀態(tài)錨桿主要位于圍巖變形量級(jí)較大或出現(xiàn)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值出現(xiàn)“負(fù)增長(zhǎng)”部位。應(yīng)力值在105～250 MPa比例為11.67%。

錨桿本體、起粘結(jié)作用的灌漿體以及圍巖組成了錨固系統(tǒng)，力學(xué)特征復(fù)雜，因此通過(guò)對(duì)開(kāi)挖期的拱圈錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深入分析，總結(jié)洞室錯(cuò)動(dòng)帶影響洞段的3種錨桿應(yīng)力變化形式，見(jiàn)圖4～圖6（圖中1.5 m、3.5 m、6.5 m指距孔口1.5 m、3.5 m、6.5 m處測(cè)點(diǎn)位置）。

圖4 ASzc0+018-2錨桿應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.4 Stress curve of anchor rod ASzc0+018-2

圖6 ASzc0-012-1錨桿應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.6 Stress curve of anchor rod ASzc0-012-1

1）臺(tái)階型

圖4為0+018斷面下游側(cè)拱肩錨桿應(yīng)力過(guò)程線，應(yīng)力增長(zhǎng)表現(xiàn)出了顯著的“臺(tái)階型”，表現(xiàn)為3個(gè)階段，一是臺(tái)階增長(zhǎng)期，這主要是受錨桿附近圍巖（樁號(hào)左廠0+10—0+30區(qū)域）開(kāi)挖卸荷影響，掌子面向臨空面變形；二是增長(zhǎng)減緩期，當(dāng)掌子面由下游側(cè)向上游側(cè)轉(zhuǎn)移時(shí)，應(yīng)力增速減緩；三是收斂期，此處開(kāi)挖完成，掌子面繼續(xù)向下遠(yuǎn)離錨桿時(shí)，錨桿應(yīng)力迅速收斂。

從桿體軸向分布看，錨桿應(yīng)力由淺至深遞減，該特征與相對(duì)應(yīng)的多點(diǎn)位移計(jì)所測(cè)的圍巖變形由淺至深逐漸衰減的規(guī)律一致。

2）拉壓型

圖5為0+076斷面上游側(cè)拱腳錨桿應(yīng)力過(guò)程線，分處淺部和深部的2個(gè)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)異化，呈淺部受拉深部受壓的態(tài)勢(shì)，同等規(guī)模的地下洞室（如兩河口水電、烏東德水電站等）也有此類現(xiàn)象。造成此現(xiàn)象的機(jī)理大致有2種解釋，一是拱座部位巖石應(yīng)力的復(fù)雜性[9]，二是安裝錨桿所灌注的混凝土凝固放熱，不均勻溫升導(dǎo)致了錨桿軸向壓力的產(chǎn)生。

圖5 ASzc0+077-1錨桿應(yīng)力時(shí)程曲線Fig.5 Stress curve of anchor rod ASzc0+077-1

3）瞬變型

圖6為0-012斷面上游側(cè)拱肩錨桿應(yīng)力過(guò)程線，桿體上6.5 m的深部測(cè)點(diǎn)和3.5 m的淺部測(cè)點(diǎn)均受同側(cè)III2-3層圍巖爆破影響，錨桿應(yīng)力產(chǎn)生驟降，約下降30%。但此處相應(yīng)位置的多點(diǎn)位移計(jì)所測(cè)的圍巖變形并無(wú)表現(xiàn)異常，說(shuō)明錨桿應(yīng)力瞬時(shí)驟降并不是圍巖失穩(wěn)，而是錨桿本體與圍巖的粘結(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題。需要說(shuō)明的是，瞬變型的錨桿應(yīng)力變化確需與同位置的其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步分析，共同探究發(fā)生原因。

3 錨桿應(yīng)力響應(yīng)機(jī)制分析

按上述錨桿應(yīng)力3種變化形式，對(duì)廠房錯(cuò)動(dòng)帶LS3152及同組節(jié)理裂隙發(fā)育洞段（樁號(hào)0-071—0+076）的錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析，臺(tái)階型錨桿占比為62%，主要分布于上下游側(cè)邊墻及下游側(cè)拱肩，此部位圍巖變形以“應(yīng)力控制型”為主，錨桿應(yīng)力變化與監(jiān)測(cè)到的變形特征吻合度高。而拉壓型和瞬變型錨桿屬異常變化，主要發(fā)生在受結(jié)構(gòu)面控制作用較強(qiáng)或有剪切變形發(fā)生部位。錨桿應(yīng)力響應(yīng)特征與圍巖變形特征有密切關(guān)聯(lián)性，關(guān)聯(lián)性的發(fā)生是基于“錨桿本體-灌漿體-圍巖”體系的協(xié)調(diào)變形關(guān)系。在理想狀態(tài)下，“錨桿本體-灌漿體-圍巖”三者固結(jié)為一個(gè)整體，變形協(xié)調(diào)一致。但受現(xiàn)場(chǎng)錨桿支護(hù)施工質(zhì)量、灌漿體性質(zhì)、圍巖特性及周圍施工擾動(dòng)等因素制約，“錨桿本體-灌漿體-圍巖”三者又表現(xiàn)出非協(xié)調(diào)變形的性質(zhì)。

3.1 協(xié)調(diào)變形體系

“錨桿本體-灌漿體-圍巖”作為一個(gè)整體協(xié)調(diào)變形時(shí)，淺層圍巖總表現(xiàn)出向臨空面變形的趨勢(shì)，錨桿在淺層圍巖的部分起主動(dòng)約束作用，防止此類現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)深部圍巖又阻止錨桿向臨空面移動(dòng)，這恰好反映出了“中性點(diǎn)理論”。

對(duì)于全長(zhǎng)粘結(jié)性錨桿，中性點(diǎn)位置的計(jì)算公式[10]如下：

式中：ρ為中性點(diǎn)位置；K1、K2分別為圍巖塑性區(qū)、彈性區(qū)的剪切剛度；R、a、l分別為洞室塑性區(qū)半徑、洞室半徑及錨桿長(zhǎng)度。

利用修正的芬納公式（式（2）），結(jié)合GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》，取巖石c=1.5 MPa，內(nèi)摩擦角為40°，P0=12 MPa。估算白鶴灘左岸地下廠房頂拱塑性區(qū)半徑R約為27.8 m，即塑性區(qū)厚度為6.8 m，與數(shù)值分析結(jié)果接近[10]。

若假設(shè)進(jìn)入塑性區(qū)的圍巖剪切剛度與完整巖體相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，即令K1=0.1K2，便得到ρ為27.7 m，可知中性點(diǎn)位置距臨空面大于6.5 m。即錨桿應(yīng)力計(jì)測(cè)點(diǎn)均處于錨固段，計(jì)算結(jié)果也很好地印證了臺(tái)階型錨桿應(yīng)力由淺至深逐漸遞減的變化規(guī)律。實(shí)際上，該類錨桿應(yīng)力的變化規(guī)律可以初步推斷圍巖松動(dòng)情況和塑性區(qū)范圍。

3.2 非協(xié)調(diào)變形體系

在實(shí)際工程中，受錨桿本體、灌漿體與圍巖三者材料性質(zhì)的不同，加之外部施工擾動(dòng)、圍巖結(jié)構(gòu)面分布的影響，三者非協(xié)調(diào)變形的情況也是存在的，由于不同材料界面力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜，本文基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)拉壓型和瞬變型錨桿應(yīng)力變化特征進(jìn)行探究。

對(duì)2.2節(jié)中舉例的錨桿應(yīng)力進(jìn)行分析，參閱地質(zhì)資料，0+076斷面上游側(cè)拱腳緩傾角裂隙及錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，結(jié)構(gòu)面的存在是錨桿應(yīng)力出現(xiàn)拉壓型變化的主要因素。與該部位多點(diǎn)位移計(jì)（Mzc0+076-1）同步分析，圍巖變形沿孔深出現(xiàn)分布不連續(xù)的情形，孔內(nèi)11 m處的測(cè)點(diǎn)與6.5 m處的測(cè)點(diǎn)變形表現(xiàn)了兩點(diǎn)間出現(xiàn)了“張開(kāi)”變形，在“張開(kāi)”變形位置，灌漿體失效，失去了錨桿本體與圍巖的黏結(jié)作用，此處軸向變形相對(duì)自由，且存在沿結(jié)構(gòu)面的剪切錯(cuò)動(dòng)變形，錨桿軸力在此部位達(dá)到最大，前后兩端產(chǎn)生異化，上部變現(xiàn)為拉拔，下部變現(xiàn)為錨固。圖7展示了0+076斷面上游側(cè)拱腳“張開(kāi)”變形與錨桿應(yīng)力（孔內(nèi)6.5 m深）的變化關(guān)系，有高度的相關(guān)性，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致了錨桿與圍巖間有細(xì)微的非協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致了局部錨桿應(yīng)力異常變化的發(fā)生。

圖7 錨桿應(yīng)力與圍巖“張開(kāi)”變形關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between stress of anchor rod and"opening"deformation of surrounding rock

瞬變型錨桿在安裝過(guò)程中就已表現(xiàn)出了異常，實(shí)際灌漿用量明顯大于理論灌漿量（內(nèi)部存在裂隙漏漿）[11]，錨桿應(yīng)力主要受周圍施工造孔、圍巖爆破等擾動(dòng)影響造成拉應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)以致超限，進(jìn)而使灌漿材料與錨桿本體間或灌漿材料與圍巖間非協(xié)調(diào)變形而使注漿體碎裂或拉崩，錨桿應(yīng)力瞬時(shí)松弛。此時(shí)，帶肋鋼筋表面摩擦力、機(jī)械鎖力靠摩擦作用繼續(xù)承擔(dān)支護(hù)作用，為圍巖提供部分錨固力。將此類失效錨桿“拉崩”后拔出錨桿孔，發(fā)現(xiàn)帶出了大量破碎的灌漿材料，這恰好佐證了上述過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)白鶴灘水電站左岸地下廠房拱圈圍巖變形與錨桿應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與理論成果，對(duì)地下廠房拱圈這一復(fù)雜部位支護(hù)錨桿應(yīng)力特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）開(kāi)挖期拱圈錨桿應(yīng)力響應(yīng)特征可總結(jié)歸納為臺(tái)階型、拉壓型、瞬變型3類。臺(tái)階型錨桿應(yīng)力表現(xiàn)為與監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近圍巖開(kāi)挖卸荷同步跳增，且由淺至深逐步遞減；拉壓型錨桿應(yīng)力表現(xiàn)為淺部測(cè)點(diǎn)與深部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力異化，同等規(guī)模工程中也有此類現(xiàn)象；瞬變型錨桿應(yīng)力表現(xiàn)為應(yīng)力瞬時(shí)驟降，需結(jié)合該點(diǎn)圍巖變形共同分析原因。

2）將“錨桿本體-灌漿體-圍巖”作為整體進(jìn)行錨桿應(yīng)力響應(yīng)機(jī)制分析，分為協(xié)調(diào)變形體系和非協(xié)調(diào)變形體系，臺(tái)階型錨桿屬協(xié)調(diào)變形體系，與“中性點(diǎn)理論”相符，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)圍巖松動(dòng)情況和塑性區(qū)范圍進(jìn)行快速推斷；拉壓型和瞬變型錨桿為非協(xié)調(diào)變形體系，錨桿應(yīng)力作用機(jī)制多與圍巖斷層裂隙等結(jié)構(gòu)面以及由此引發(fā)的錨桿灌漿材料失效等有關(guān)。