楊房溝水電站地下廠房混凝土噴層開(kāi)裂成因分析

摘要：楊房溝水電站地下洞室群開(kāi)挖施工過(guò)程中存在混凝土噴層開(kāi)裂脫落現(xiàn)象，若不及時(shí)查明原因并進(jìn)行處理，將影響后續(xù)廠房開(kāi)挖。針對(duì)楊房溝水電站主副廠房頂拱混凝土噴層開(kāi)裂掉塊的問(wèn)題，分析其原因并提出了解決措施。結(jié)果表明：不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的影響、廠房上游頂拱為應(yīng)力集中區(qū)、復(fù)噴混凝土黏結(jié)力不足是導(dǎo)致混凝土噴層開(kāi)裂掉塊的主要原因。針對(duì)此，采取清撬、加強(qiáng)支護(hù)、增設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、控制爆破等措施后，有效解決了頂拱噴層開(kāi)裂掉塊對(duì)廠房下部開(kāi)挖的不利影響，處理效果良好，保證了地下廠房施工期間的安全。

關(guān)鍵詞：洞室開(kāi)挖； 混凝土開(kāi)裂； 地下廠房； 楊房溝水電站

中圖法分類號(hào)：TU755

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.004

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S1-0010-03

1 工程概況

在地下洞室開(kāi)挖過(guò)程中，特別是在一些中高地應(yīng)力硬巖條件下水電站地下廠房等大型洞室，噴射混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象比較常見(jiàn)。由于大型地下洞室工程本身非常復(fù)雜，造成混凝土噴層開(kāi)裂、脫落的原因很多，主要與圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力條件、施工質(zhì)量等因素有關(guān)［1-2］。

楊房溝水電站地下廠房采用左岸首部開(kāi)發(fā)方案，地下廠房部位的地面高程為2 240～2 370 m，上覆巖體厚度為197～328 m，水平巖體厚度為125～320 m，巖性為花崗閃長(zhǎng)巖，巖體完整，圍巖以Ⅱ，Ⅲ類為主。地下廠房地應(yīng)力值為 12.62～13.04 MPa，與廠房軸線夾角為56°～74°，屬低-中等應(yīng)力區(qū)。主副廠房洞在平面布置上采用“一”字形布置，從左至右依次為副廠房、主廠房和安裝場(chǎng)，主副廠房洞長(zhǎng)230.00 m，高75.57 m，巖梁以下寬28.00 m，以上寬30.00 m。楊房溝水電站地下洞室群開(kāi)挖施工過(guò)程中存在混凝土噴層開(kāi)裂脫落現(xiàn)象，尤其是主副廠房。因此，本文針對(duì)楊房溝水電站地下廠房頂拱噴層開(kāi)裂掉塊原因進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)對(duì)策，旨在為類似工程提供參考。

2 廠房頂拱混凝土噴層開(kāi)裂掉塊情況

楊房溝水電站地下廠房洞室共分Ⅸ層開(kāi)挖，總開(kāi)挖高度達(dá)75.57 m。自2016年4月6日開(kāi)始開(kāi)挖第Ⅰ層，在開(kāi)挖至廠房第Ⅲ層期間，地下廠房頂拱局部陸續(xù)出現(xiàn)了噴射混凝土開(kāi)裂掉塊的現(xiàn)象，直接威脅到下方施工人員和設(shè)備的安全，且影響工程的正常進(jìn)展。

截至2017年10月15日，主副廠房共出現(xiàn)了10次頂拱混凝土噴層局部脫落現(xiàn)象，噴層脫落時(shí)間和位置分別為：2016年11月6日（廠左0+20 m至廠左0+22 m頂拱上游側(cè)）、2017年3月11日（廠右0+80 m上游頂拱）、2017年3月23日（廠右0+10 m上游拱肩）、2017年5月10日（廠右0+90 m下游頂拱）、2017年5月19日（廠左0+3 m 上游頂拱）、2017年5月26日（廠左0+31.5 m上游頂拱）、2017年9月26日（廠右0+30 m上游頂拱、廠右0+16 m上游拱肩）、2017年10月7日（廠右0+25 m上游頂拱、廠右0+15 m上游頂拱）。噴層脫落厚度平均為10～15 cm，最大為18 cm，噴層脫落區(qū)域尺寸最大約為120 cm×100 cm。此時(shí)主副廠房洞第Ⅲ層才剛剛?cè)块_(kāi)挖完畢，開(kāi)挖高度為 26.7 m（高程為2 022.5～1 995.8 m），尚有48.87 m未開(kāi)挖。若不及時(shí)查明原因進(jìn)行處理，在后續(xù)廠房開(kāi)挖中將存在很大的干擾和風(fēng)險(xiǎn)。

3 掉塊原因分析

從廠房頂拱混凝土噴層開(kāi)裂、脫落的位置來(lái)看，大部分均位于上游頂拱；從現(xiàn)場(chǎng)照片來(lái)看，噴層開(kāi)裂、脫落體均屬于薄片形態(tài)；從圍巖穩(wěn)定復(fù)核情況來(lái)看，頂拱不存在圍巖穩(wěn)定問(wèn)題；從數(shù)值反饋分析來(lái)看，廠房上游頂拱屬于應(yīng)力集中區(qū)，且隨著廠房的下臥，廠房上游頂拱應(yīng)力逐步調(diào)整。綜合多次調(diào)查分析，認(rèn)為噴層開(kāi)裂掉塊的原因?yàn)橐韵聨c(diǎn)。

（1） 不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的影響。當(dāng)?shù)叵露词翼敼鞍l(fā)育不利巖體結(jié)構(gòu)面如緩傾軟弱斷層、錯(cuò)動(dòng)帶時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的開(kāi)挖變形和明顯的非連續(xù)變形特征，尤其在洞室后續(xù)下臥中，不利結(jié)構(gòu)面影響的洞段頂拱圍巖變形將持續(xù)增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)面的差異變形特征也會(huì)進(jìn)一步加劇，這會(huì)對(duì)噴層變形及受力產(chǎn)生較大不利影響。經(jīng)驗(yàn)表明，頂拱發(fā)育的不利巖體結(jié)構(gòu)面是造成噴層開(kāi)裂的重要原因之一，這類噴層裂縫一般沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生并發(fā)展，如2017年3月23日發(fā)生在主副廠房廠右0+10上游拱肩部位的噴層開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象，分析認(rèn)為主要是受緩傾斷層f1-49影響，而廠房下部開(kāi)挖擾動(dòng)和開(kāi)裂部位的滲水問(wèn)題是主要誘因。

（2） 廠房上游頂拱屬于應(yīng)力集中區(qū)。中高地應(yīng)力條件下，地下洞室開(kāi)挖后頂拱圍巖一般會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，若應(yīng)力集中水平偏高，局部或系統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，與圍巖應(yīng)力性破裂及片幫破壞一樣，混凝土噴層也會(huì)出現(xiàn)剪切型裂縫，破裂面一般呈“刀刃狀”，這在錦屏一級(jí)、猴子巖、白鶴灘水電站等高地應(yīng)力工程地下洞室中均有所發(fā)現(xiàn)。由于廠房區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)一般具有一定的分布規(guī)律，使得洞室頂拱應(yīng)力集中區(qū)可能偏向楊房溝側(cè)拱肩，也將導(dǎo)致頂拱噴層開(kāi)裂的部位具有一致性。另外，隨著洞室下臥開(kāi)挖，圍巖應(yīng)力持續(xù)調(diào)整，頂拱噴層開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象一般也表現(xiàn)出一定的時(shí)間效應(yīng)。

受河谷地應(yīng)力場(chǎng)影響，地下廠房應(yīng)力集中區(qū)主要位于上游側(cè)拱肩，數(shù)值分析結(jié)果顯示受洞室分層開(kāi)挖影響，洞室應(yīng)力調(diào)整顯著，并且隨著洞室開(kāi)挖，主副廠房頂拱應(yīng)力集中程度和范圍呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，洞室開(kāi)挖完成后頂拱應(yīng)力集中程度一般為20～26 MPa，局部洞段應(yīng)力集中程度可能達(dá)到圍巖破裂或應(yīng)力性破壞的閾值，導(dǎo)致淺部噴層的受力持續(xù)增加，引發(fā)噴層應(yīng)力性開(kāi)裂。

（3） 復(fù)噴混凝土黏結(jié)力不足的影響。從施工期混凝土噴層破壞特征調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，大部分噴層開(kāi)裂脫落部位未見(jiàn)鋼筋網(wǎng)，脫落體主要為復(fù)噴層。因廠房頂拱開(kāi)挖過(guò)程中局部圍巖條件較差導(dǎo)致部分區(qū)域掉塊超挖較大，為確保噴射混凝土表面平整度滿足合同文件要求，施工單位對(duì)超挖較大部位采取了補(bǔ)噴混凝土處理，補(bǔ)噴混凝土厚度過(guò)厚及新老混凝土黏結(jié)力不足是掉塊的重要原因，特別是局部有滲水時(shí)會(huì)進(jìn)一步降低結(jié)合面的黏結(jié)強(qiáng)度。

4 解決措施

結(jié)合楊房溝水電站地下廠房地質(zhì)條件、施工條件、掉塊原因，綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面進(jìn)行比選后，最終針對(duì)主副廠房頂拱噴射混凝土掉塊提出如下應(yīng)對(duì)措施。

（1） 對(duì)地下廠房頂拱掉塊情況進(jìn)行系統(tǒng)全面的排查，針對(duì)松動(dòng)的、開(kāi)裂的噴射混凝土塊進(jìn)行清撬處理。

（2） 在廠房廠右0+10 m至廠右0+00 m區(qū)域上游拱肩增設(shè)一排預(yù)應(yīng)力錨桿32@1 m，長(zhǎng)度L=9 m，張拉力T=120 kN，錨桿布置高程為2 015.00 m，錨桿上仰45°布置。加強(qiáng)錨桿布置避開(kāi)原系統(tǒng)錨桿，加強(qiáng)斷層跡線區(qū)域的鎖口支護(hù)。

（3） 在廠房廠右0+10 m至廠右0+00 m區(qū)域上游拱肩，沿?cái)鄬觙49出露跡線，在滲水區(qū)域增設(shè)隨機(jī)排水孔（直徑50 mm，長(zhǎng)4.5 m），并采用40 mm彈簧軟管連接至邊墻排水溝。排水孔角度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整，確保排水孔穿過(guò)斷層。

（4） 在主副廠房洞廠右0+010.5 m至廠左0+003 m段的頂拱上游（廠下0+2.1 m～廠上0+12.9 m）、高程2 014.0 m以上增設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)（GPS2型）。主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)主要由縱橫交錯(cuò)的16 mm橫向支撐繩和12 mm縱向支撐繩組成3.65 m×3.0 m（3.04，3.17，4.04，3.15 m）網(wǎng)格，采用已施工的吊頂錨桿進(jìn)行支撐繩的固定，拱肩部位新增C22插筋進(jìn)行固定，C22插筋入巖30 cm，外露30 cm。網(wǎng)格內(nèi)鋪設(shè)一張GR/08/300披覆鋼絲繩網(wǎng)，每張網(wǎng)四周采用縫合繩連接并拉緊，在鋼絲繩網(wǎng)下鋪設(shè)GR/2.2/50披覆鋼絲格柵網(wǎng)。主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)施工利用50 t汽車(chē)吊作為施工平臺(tái)在巖錨梁混凝土施工期間穿插進(jìn)行。

（5） 建立定期巡視制度并清理主動(dòng)網(wǎng)中的噴層掉塊，確保施工期安全。

（6） 針對(duì)噴層開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高的部位，在地下廠房下部開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中堅(jiān)持弱爆破、短進(jìn)尺、及時(shí)支護(hù)的原則，從而減少對(duì)保留巖體的爆破松弛損傷和圍巖應(yīng)力性破裂擴(kuò)展。需注重支護(hù)的系統(tǒng)性和及時(shí)性，使噴層、鋼筋網(wǎng)、錨桿或錨索等聯(lián)合支護(hù)成為體系，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體支護(hù)力，使噴層均勻受力。

（7） 在后續(xù)噴射混凝土施工中高度重視噴射混凝土，尤其是復(fù)噴混凝土質(zhì)量控制工作。加強(qiáng)噴射混凝土巖面（噴層面）沖洗，按要求對(duì)巖石松動(dòng)巖塊進(jìn)行清撬處理，確?；炷临|(zhì)量滿足規(guī)范要求。

（8） 在廠房開(kāi)挖至第Ⅶ層時(shí)，考慮到后續(xù)混凝土轉(zhuǎn)序的要求，為避免噴層脫落區(qū)域的修復(fù)工作與機(jī)電安裝相互干擾，機(jī)組安裝前，針對(duì)主廠房頂拱噴層脫落出露鋼筋網(wǎng)區(qū)域采取清理、復(fù)噴措施，復(fù)噴施工方案采用小橋機(jī)施工平臺(tái)，在吊頂安裝前完成。

5 結(jié)論與建議

本文針對(duì)楊房溝水電站地下廠房頂拱噴層開(kāi)裂掉塊原因進(jìn)行了分析，并提出清撬、加強(qiáng)支護(hù)、增設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、控制爆破等應(yīng)對(duì)措施，有效解決了頂拱噴層開(kāi)裂掉塊對(duì)廠房下部開(kāi)挖的不利影響。

（1） 針對(duì)地下洞室頂拱混凝土噴層開(kāi)裂問(wèn)題，局部噴層開(kāi)裂一般不會(huì)對(duì)整體圍巖穩(wěn)定造成明顯影響，但當(dāng)?shù)貞?yīng)力量值偏高時(shí)，噴層開(kāi)裂可能會(huì)具有普遍性，若頂拱出現(xiàn)整體性、普遍性的圍巖破裂問(wèn)題時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和深入分析。一般而言，高應(yīng)力條件下頂拱圍巖的應(yīng)力性破壞一般很難避免，是洞室開(kāi)挖卸荷圍巖應(yīng)力調(diào)整的正?，F(xiàn)象，但若在系統(tǒng)支護(hù)完成后仍發(fā)生噴層持續(xù)開(kāi)裂、掉塊問(wèn)題，則間接表明當(dāng)前的系統(tǒng)支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)及時(shí)性可能不足，需要采取一定的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，以保證洞室頂拱在施工期和運(yùn)行期的圍巖穩(wěn)定。

（2） 廠房頂拱圍巖高應(yīng)力集中區(qū)和不利軟弱結(jié)構(gòu)面出露部位一般是頂拱噴層開(kāi)裂的主要潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。在實(shí)際施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)廠房現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)際揭露的地質(zhì)信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，綜合工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值反饋分析，合理評(píng)估這些典型部位的噴層開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，并據(jù)此擬定針對(duì)性控制爆破、施工順序優(yōu)化及補(bǔ)強(qiáng)加固方案。

（3） 選擇合理的噴層厚度和噴層強(qiáng)度十分關(guān)鍵。對(duì)于中高地應(yīng)力區(qū)地下洞室，應(yīng)保證初噴和復(fù)噴混凝土厚度，適當(dāng)提高噴射混凝土層強(qiáng)度等級(jí)，以增加噴層的抗拉、抗剪能力，可有效降低噴層開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。一般而言，素混凝土更容易開(kāi)裂，而鋼纖維混凝土能較明顯改善混凝土的抗裂性、延性、韌性和抗沖擊性能，使混凝土與巖石有很好的變形適應(yīng)性，在圍巖和噴層面臨較高的高應(yīng)力破壞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，建議采用鋼纖維噴射混凝土。

參考文獻(xiàn)：

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