龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào):055929342(20031020044203龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)羅俊軍,張孝松(中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南長沙410014關(guān)鍵詞:錨噴支護(hù);圍巖;陡傾層狀巖體;地下廠房;龍灘水電站摘要:龍灘水電站地下廠房洞室群支護(hù)采取工程類比、理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的多種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)中陡傾角層狀巖體上、下游邊墻的變形特征不同、潛在不穩(wěn)定體出現(xiàn)部位的區(qū)別,提出了上、下游邊墻預(yù)應(yīng)力錨索重點(diǎn)加強(qiáng)部位有所區(qū)別的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。Design of the shotcrete support for the underground pow erhouse of Longtan H ydr

2、opow er StationLUO Jun2jun,ZH ANG X iao2s ong(Mid2s outh Investigation and Design Institute for Hydroelectric Projects,Changsha Hunan410014 K ey Words:shotcrete support,surrounding rocks,steep dip stratified rock masses,underground powerhouse,Longtan Hydropow2 er S tationAbstract:The methods such as

3、 project analogue,theoretical calculation,and on2the2spot m onitoring have been adopted in the sup2 port design of the surrounding rock masses of the underground powerhouse of Longtan Hydropower S tation1The different pre2 stressed anchorage support schemes for different key positions in the upstrea

4、m and downstream side2walls have been put forward,in accordance with the conditions that the stratified surrounding rocks with medium and steep dip angles,different deformation charac2 teristics,and the locations of different potential unstable bodies1中圖分類號(hào):T V223134(267文獻(xiàn)標(biāo)示碼:B1地下廠房引水發(fā)電洞室群布置及地質(zhì)條件龍灘水

5、電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在壩址左岸。其中,引水隧洞、發(fā)電主廠房、母線洞、主變洞、尾水調(diào)壓井等洞室群布置在左岸山體內(nèi),發(fā)電主廠房洞室右端距河岸約160m,上覆巖體厚度120240m。主廠房、主變洞和尾水調(diào)壓井三大洞室依次平行布置,主廠房、主變洞及尾水調(diào)壓井之間巖墻厚度分別為43m, 27146m。主廠房上部(高程206m以上開挖尺寸39815m×2819m×5517m(長×寬×高、以下同,巖錨梁以上開挖跨度3017m,主廠房拱頂高程26117m,廠房最大開挖高度為7614m。主變洞開挖基本尺寸為40010m×1918m×2017m,主變洞拱

6、頂高程25319m。尾水調(diào)壓井采用“三機(jī)一井”的長廊式調(diào)壓井,共3個(gè),1號(hào)尾水調(diào)壓井開挖尺寸為6813m×20105m×84131m,2號(hào)(3號(hào)尾水調(diào)壓井開挖尺寸為7617m (95185m×22173m×63135m,調(diào)壓井拱頂高程均為27217 m,1號(hào)、2號(hào)尾水井間巖柱厚61m,2號(hào)、3號(hào)尾水井間巖柱厚2614m。主廠房、主變室和尾水調(diào)壓井布置區(qū)是壩區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)較好的地段之一。三大主洞室置于中陡傾角層狀結(jié)構(gòu)的、類圍巖、局部類圍巖內(nèi)。主要巖性為砂巖、粉砂巖、泥板巖夾少量灰?guī)r。廠區(qū)地層為三疊系中統(tǒng)板納組(T2b,三大洞室穿越的T182b層T412b層

7、多為中厚層互層狀軟硬相間的層狀結(jié)構(gòu)巖體,巖層為單斜構(gòu)造并傾向廠房下游側(cè),巖層產(chǎn)狀為345°350°/NE55°62°。主洞室布置區(qū)圍巖強(qiáng)度較高,砂巖飽和抗壓強(qiáng)度為130MPa,泥板巖為4080MPa;變形模量為1320G Pa。水文地質(zhì)條件較簡單,多為裂隙水,表現(xiàn)為沿?cái)鄬印娱g錯(cuò)動(dòng)(層面節(jié)理或結(jié)構(gòu)面交會(huì)處滲(滴水,巖體透水性較小。選定的廠房軸線方向?yàn)镹50°W,與巖層走向夾角35° 40°。F1斷層從主廠房安裝間斜穿,與廠房軸線呈30°35°夾角。洞室布置區(qū)內(nèi)對(duì)洞室圍巖影響較大的主要是層間錯(cuò)動(dòng)或?qū)娱g斷層,

8、以及F1、F56、F5621、F7、F13等斷層。層面和層間錯(cuò)收高日期:2003209222作者簡介:羅俊軍(1965,男,湖南瀘溪人,高級(jí)工程師,主要從事水電站樞紐布置及輸水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì);張孝松(1964,男,湖南安鄉(xiāng)人,高級(jí)工程師,主要從事水電工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)144水力發(fā)電2003年第10期動(dòng)的發(fā)育及中陡的巖層傾角,對(duì)主廠房和調(diào)壓井的上下游高邊墻穩(wěn)定不利,表現(xiàn)為層狀巖體在上游邊墻順層剪切滑移,在下游邊墻傾倒蠕變的形態(tài)。地下廠房布置區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力的最大主應(yīng)力平均值為12 MPa,方向?yàn)镹20°80°W,屬中等量級(jí)以水平應(yīng)力為主的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。選定廠房軸線與地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向

9、夾角30°左右,垂直邊墻方向的水平應(yīng)力為5181015MPa,垂直主廠房上下游邊墻方向的側(cè)壓力系數(shù)為115119。2主要洞室的支護(hù)設(shè)計(jì)及參數(shù)綜合選擇211主要支護(hù)設(shè)計(jì)方法龍灘地下洞室支護(hù)設(shè)計(jì)以“利用圍巖為承載主體,充分發(fā)揮圍巖的自承作用”為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,確定了洞室以錨噴支護(hù)為主,并遵循新奧法理論,采用動(dòng)態(tài)化監(jiān)控、信息化設(shè)計(jì)。錨噴支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)以工程類比法為主,采用該法初步選擇支護(hù)參數(shù);采用極限平衡理論計(jì)算法進(jìn)行局部穩(wěn)定和支護(hù)承載力驗(yàn)算,調(diào)整支護(hù)參數(shù);采用有限元計(jì)算法評(píng)價(jià)支護(hù)整體加固效果,提出加強(qiáng)支護(hù)的重點(diǎn)部位;堅(jiān)持現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控法,及時(shí)完善支護(hù)參數(shù)。21111工程類比法工程類比法采用了直接對(duì)比法

10、和間接類比法。直接對(duì)比法依據(jù)收集已建和在建國內(nèi)外規(guī)模相近工程的錨噴支護(hù)參數(shù)以資對(duì)比。間接類比法包括按規(guī)程規(guī)范依圍巖類別確定支護(hù)參數(shù)法、Q系統(tǒng)分類推薦參數(shù)法和錨桿長度與洞室跨度、高度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析法。其中,龍灘引水洞、尾水洞、交通洞和通風(fēng)洞等尺寸相對(duì)較小,受三大主洞室及洞室間開挖的影響也小一些,可按規(guī)程規(guī)范確定錨噴支護(hù)參數(shù);主廠房、調(diào)壓井洞室跨度大、邊墻高,依據(jù)巖體綜合質(zhì)量指標(biāo)Q值和開挖當(dāng)量尺寸計(jì)算圍巖壓力,查表選擇支護(hù)分類,提出初步支護(hù)參數(shù)。21112理論計(jì)算法(1圍巖塑性松弛區(qū)極限平衡分析。洞室開挖后圍巖塑性松弛區(qū)內(nèi)的山巖壓力由圍巖的形變壓力和極限平衡圈內(nèi)圍巖自重形成的松動(dòng)壓力構(gòu)成,需要由錨

11、噴支護(hù)提供足夠的支護(hù)抗力維持其平衡。龍灘地應(yīng)力場(chǎng)為水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),側(cè)壓系數(shù)大于1,剪切楔形滑移體在洞室頂、底部出現(xiàn),松動(dòng)壓力在頂拱為塑性圈內(nèi)的自重壓力。設(shè)計(jì)時(shí)采用解極值辦法計(jì)算最小山巖壓力和塑性松弛區(qū)的深度。(2塊體極限平衡分析。塊體穩(wěn)定計(jì)算表明:由三組隨機(jī)節(jié)理構(gòu)成的節(jié)理塊體在洞周出現(xiàn)的幾率最大,出現(xiàn)頻率約35個(gè)/100m2,規(guī)模普遍較小,塊體體積小于117m3,采取噴混凝土支護(hù)應(yīng)能維持其穩(wěn)定。由斷層或?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)面和少數(shù)延伸較長的緩傾角節(jié)理或裂隙性錯(cuò)動(dòng)面構(gòu)成的楔體出現(xiàn)的隨機(jī)性較大,在每條斷層與洞壁交匯處都有可能發(fā)生,該類楔體在洞軸線上沿洞頂或洞壁發(fā)生的頻率約3050m一個(gè),節(jié)理長度為5m時(shí),最大

12、楔體高度為319m,山巖壓力01010126MPa,確定的系統(tǒng)支護(hù)錨桿參數(shù)應(yīng)能維持其穩(wěn)定要求。由三條斷層或兩條斷層和層間錯(cuò)動(dòng)(層面構(gòu)成的特定楔體,多出現(xiàn)在F1斷層兩側(cè),對(duì)于大的特定楔體,采用錨桿和預(yù)應(yīng)力錨索局部加強(qiáng)支護(hù)。(3有限元計(jì)算分析。由于龍灘水電站地下廠房系統(tǒng)經(jīng)歷了多次布置調(diào)整和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),各階段都進(jìn)行了有限元計(jì)算分析,計(jì)算分析結(jié)論宏觀上基本一致。在最終布置方案的大三維有限元計(jì)算中,模擬錨桿、錨索和施工投標(biāo)批準(zhǔn)的施工開挖順序,考慮主要斷層和模擬陡傾角層面,分別采用Marc 程序、F LAC3D有限差分法和三維斷裂損傷有限元法等進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,與水平層狀巖層中的洞室開挖相比較,位

13、于陡傾角層狀巖體中的龍灘水電站地下洞室群圍巖的變形具有明顯的非對(duì)稱特征,圍巖在開挖過程中明顯沿層面錯(cuò)動(dòng)。主洞室上下游邊墻的變形機(jī)理不同,上游側(cè)邊墻的巖體在沿層面滑動(dòng)的同時(shí),在垂直層面的方向上略有張開;下游側(cè)邊墻的巖體則在向洞內(nèi)傾倒的同時(shí)順層上移。變形量大小及最大值出現(xiàn)的部位也不一致,三種計(jì)算方法的頂拱下沉變位、邊墻水平變位列于表1。圍巖的最大壓應(yīng)力為3415MPa,發(fā)生在調(diào)壓井下部的尾水管附近。計(jì)算塑性區(qū)范圍較1994年計(jì)算結(jié)果有較大的改善。F法計(jì)算結(jié)果表明:支護(hù)后洞室的塑性區(qū),在三大洞室頂拱部位基本控制在12m內(nèi),主廠房上游邊墻的塑性區(qū)小于下游邊墻,下游邊墻最大深度為812m,主廠房和主變洞

14、之間的巖體穩(wěn)定性相對(duì)較好,兩者之間沒有塑性貫通區(qū)域。在主變洞與調(diào)壓井間受斷層控制的區(qū)域形成局部的(厚度6m左右塑性連通區(qū)域,而在沒有斷層控制的區(qū)域,巖體中間還將保留一段彈性巖體。調(diào)壓井上下游邊墻塑性區(qū)最大,為10m深。支護(hù)錨桿應(yīng)力主廠房最大為22716 MPa,調(diào)壓井最大為23916MPa。表1三維計(jì)算主洞室的最大變位mm計(jì)算方法主廠房調(diào)壓井頂拱上游邊墻下游邊墻頂拱上游邊墻下游邊墻M arc法211148166814181437116112F LAC3D法261566175313321262136713斷裂損傷有限元法12115815601917125914771921113現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控法龍灘地下

15、巖體構(gòu)造復(fù)雜,洞室的跨度、高度、與相鄰洞室關(guān)系、交叉洞室位置等都不相同,加之開挖爆破方式的變化等因素,使得支護(hù)設(shè)計(jì)必須在已實(shí)施支護(hù)的基礎(chǔ)上,及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋成果分析應(yīng)力和變位情況,評(píng)估支護(hù)參數(shù),修改完善支護(hù)設(shè)計(jì)。212支護(hù)參數(shù)綜合選擇21211錨噴參數(shù)選擇基本原則錨桿直徑的選擇應(yīng)充分發(fā)揮其材料特性,使錨桿應(yīng)力在具備一定安全度的情況下盡量接近其抗拉強(qiáng)度。錨桿長度應(yīng)大于松動(dòng)區(qū)厚度,且應(yīng)有一定貯備,但不宜超過塑性區(qū)深度,一般取塑性區(qū)深度的017倍。系統(tǒng)錨桿在、類圍巖中采用間、排距115m,在類圍巖中及需要加強(qiáng)支護(hù)的部位,間、排距可增密到112110m。噴混凝土厚度一般取洞室開挖跨度的1/1001/1

16、20,大型洞室噴混凝土厚度取150200mm。54羅俊軍,等:龍灘水電站地下廠房主要洞室圍巖錨噴支護(hù)設(shè)計(jì)21212支護(hù)參數(shù)綜合選擇在上述設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選擇原則指導(dǎo)下,結(jié)合龍灘三大洞室圍巖為典型中陡傾角層狀巖體、上游邊墻及左端墻巖體順層剪切滑移變形、下游邊墻及右端墻巖體傾倒蠕變等具體情況;考慮噴射混凝土根據(jù)不同部位采用鋼纖維混凝土、聚丙烯微纖維混凝土或素混凝土,洞室交叉部位要求超前鎖口支護(hù)等具體措施,以及錨索施工對(duì)地下洞室施工進(jìn)度影響等因素,龍灘水電站主要洞室選擇的錨噴支護(hù)綜合參數(shù)見表2。對(duì)特定的大塊體,在開挖過程中及時(shí)判定,在通過穩(wěn)定計(jì)算分析后,用錨索錨固不穩(wěn)定的塊體。如主廠房上游邊墻F1、F

17、56、F5621斷層與層面和復(fù)合緩傾角節(jié)理組合楔體體積約為730 3000m3,楔體高1016m,考慮吊車梁荷載不利影響,計(jì)及部分結(jié)構(gòu)面的c、值,采用預(yù)應(yīng)力錨索和預(yù)應(yīng)力長錨桿進(jìn)行穩(wěn)定錨固。綜上分析考慮,提出龍灘水電站三大洞室施工詳圖支護(hù)參數(shù)見表2。3施工過程中支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整施工過程中的支護(hù)設(shè)計(jì),重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)監(jiān)控。如龍灘主廠房第二層開挖過程中和第三層開挖初期,曾出現(xiàn)下游拱角附近邊墻多處順層開裂(多系淺層開裂及主廠房樁號(hào)H L 0+00+50段下游邊墻拱腳段部分錨桿應(yīng)力超過設(shè)計(jì)值的現(xiàn)象,且此兩種現(xiàn)象多出現(xiàn)在泥板巖與砂巖互層巖體內(nèi)下游邊墻的拱腳段。經(jīng)分析,該段巖性軟硬相間,在頂拱開挖后,由于

18、受應(yīng)力集中、圍巖松弛和爆破振動(dòng)等多重影響,下游邊墻向臨空面產(chǎn)生傾倒變形,又因?yàn)閷用婀饣?抗剪強(qiáng)度較低,層間產(chǎn)生剪切變形,導(dǎo)致互層巖體接觸面開裂,此時(shí)若錨表2三大洞室支護(hù)參數(shù)支護(hù)部位圍巖分類支護(hù)參數(shù)主廠房頂拱錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯(cuò)布置;噴鋼釬維混凝土厚200mm。錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯(cuò)布置,其中長錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿;噴鋼釬維混凝土厚200mm。錨桿<28/<32115m×112m,L=6m/9135m,交錯(cuò)布置,其中長錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿;噴鋼釬維混凝土厚200mm。上游邊墻高程221170m以上、錨桿&

19、lt;28/<32115m(112m,類圍巖,L=6m/915m,交錯(cuò)布置,其中長錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿,另設(shè)5排L=20m、間排距415m×6/415m的預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿交錯(cuò)布置,噴鋼釬維混凝土厚200mm。下游邊墻高程221170m以上、錨桿<28/<32115m×115m,L=6m/915m,交錯(cuò)布置,其中類圍巖長錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿,另下游邊墻中上部設(shè)3排L=20m、間排距415m/6×6/415m的預(yù)應(yīng)力錨索與錨桿交錯(cuò)布置,噴鋼釬維混凝土厚200mm。上游邊墻下游邊墻高程221170m以下、上游邊墻:錨桿<28/<32115m,L=5

20、15m/8m,交錯(cuò)布置,噴聚丙烯微纖維混凝土厚200mm。下游邊墻:錨桿<28115m,L=515m,方形布置,噴聚丙烯微纖維混凝土厚200mm。主變洞頂拱、錨桿<25/28115m,L=5m/7m,交錯(cuò)布置;噴鋼纖維混凝土厚150mm。上游邊墻、錨桿<28115m,L=7m,矩形布置;掛<6250×250鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。下游邊墻、錨桿<25/<28115m,L=415m/8m,交錯(cuò)布置;與3個(gè)尾水調(diào)壓井上游邊墻間用L=32m、間排距3m×415m共4排預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)穿,掛<6250×250鋼筋網(wǎng),

21、噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。尾水調(diào)壓井頂拱、錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯(cuò)布置;掛<8150×150鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。上游邊墻高程250150m以上、錨桿<28/<32115m,L=6m/8m,交錯(cuò)布置;3個(gè)尾水調(diào)壓井上游邊墻與主變洞下游邊墻間用L=32m、間排距3m×415m共4排預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)穿;掛<8150×150鋼筋網(wǎng);噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程250150230m、錨桿<32115m,L=9m,噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程230m以下、錨桿<

22、;32115m,L=8m,預(yù)應(yīng)力端頭錨固錨索L=20m、間排距415m×415m共5排(1號(hào)井、4排(2號(hào)、3號(hào)井,噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。下游邊墻高程250150m以上、錨桿<28/<32115m,L=6m/915m,交錯(cuò)布置,其中長錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿;掛<8150×150鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程250150m以下、錨桿<32115m,L=8m,與預(yù)應(yīng)力端頭錨固錨索L=25/20m,間排距415m×6m,共6排交錯(cuò)布置;掛<8150×150鋼筋網(wǎng),噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。端墻、隔墻高

23、程250150m以上、錨桿<28/<32115m,L=6m/915m,交錯(cuò)布置,其中L=915m錨桿為預(yù)應(yīng)力錨桿;噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。高程250150m以下、錨桿<32115m,L=8m(715m,與預(yù)應(yīng)力錨索L=20m(、井對(duì)穿錨索L=27m、9排;其它左端墻僅中下部設(shè)置4排、右端墻僅中上部設(shè)置4排、間排距均415m×415m交錯(cuò)布置,噴聚丙烯微纖維混凝土厚150mm。(下轉(zhuǎn)第68頁圖1導(dǎo)流洞吊模及多卡懸臂模板示意別運(yùn)至洞內(nèi)ER0+802和ER0+030樁號(hào)進(jìn)行安裝、調(diào)試。為防止臺(tái)車上部變形張開,要用型鋼對(duì)臺(tái)車進(jìn)行再加固處理;同時(shí)在混凝土澆筑過程中,

24、要加強(qiáng)觀察,發(fā)現(xiàn)有張開變形現(xiàn)象時(shí),必須立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。鋼筋幫扎前用棉紗適量地涂抹脫模劑,以易脫模和不污染表面為標(biāo)準(zhǔn)。(2澆筑速度。為保證混凝土的振搗質(zhì)量,控制溫度上升速度,澆筑要分層進(jìn)行,層厚不大于40cm,上升速度不大于017m/h。兩側(cè)邊墻部位澆筑時(shí),要保證兩側(cè)均勻上升。(3鋼筋綁扎。先用手風(fēng)鉆鉆50cm深的插筋孔,再組立架立鋼筋;經(jīng)測(cè)量檢查合格后再幫扎結(jié)構(gòu)鋼筋。彎曲鋼筋在加工廠加工,水平分布鋼筋在現(xiàn)場(chǎng)加工。成形的鋼筋運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后,人工按施工圖紙和技術(shù)規(guī)范要求綁扎和焊接。鋼筋表面應(yīng)潔凈無損傷,在使用前應(yīng)清除油漆污染和鐵銹等。鋼筋綁扎完后,由質(zhì)檢工程師進(jìn)行檢查,合格后申請(qǐng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收。(4止水安裝。嚴(yán)格按施工圖紙規(guī)定的型式、尺寸、位置和材料品種安裝止水設(shè)施,安裝好的止水片應(yīng)加以固定和保護(hù),混凝土澆筑過程中,在止水片附近應(yīng)由人工用鋼釬搗實(shí)混凝土,避免損傷止水片。損傷的止水片,必須修補(bǔ)或更換。(5倉面驗(yàn)收。倉內(nèi)所有項(xiàng)目完成并經(jīng)自檢合格后,將驗(yàn)收資料提交監(jiān)理工程師驗(yàn)收。監(jiān)理工程師簽發(fā)開倉證后開倉澆筑混凝土。(6混凝土澆筑?；炷劣?m3混凝土攪拌運(yùn)輸車從拌和站運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng),泵送入倉。利用預(yù)留的澆筑窗口采用插入式振搗器振搗,并隨澆筑的上升將澆筑窗口封閉,然后啟動(dòng)附著式振動(dòng)進(jìn)行表面振搗。不合格的混凝土嚴(yán)禁入倉,嚴(yán)禁向倉內(nèi)加水。如發(fā)現(xiàn)混凝土和易