浅谈锚喷技术在地下洞室中的应用

杨让全

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130021)

浅谈锚喷技术在地下洞室中的应用

杨让全

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林长春 130021)

目前国内大小水电工程几乎都涉及到地下洞室的支护,尤其是临时支护。合理运用相应的支护手段对地下洞室进行有效的支护,既节省投资,又能够高效率的推进工程的进展,是一项工程追求的目标,也是工程地质研究的方向。锚喷支护运用得当是最高效率的一种施工方法,但很多人对锚喷支护的效果有所怀疑,进而增加拱架支护,这样做不仅增加了不必要的投资,而且延缓了工期。以盖下坝水电站工程1#交通洞的锚喷支护效果计算为例,使大家对锚喷支护技术有一定的了解。

地下洞室;锚喷支护;应用

0 引言

经过国内外大量工程实践证明,锚喷支护是一项行之有效的先进技术,它施工速度快、安全可靠、节省原材料,对多快好省地进行地下工程建设具有重大的现实意义。

1 锚喷支护原理解析

锚喷支护的基本原理就是把作为荷载看待的围岩转化成能够承受外荷的一种结构(岩石结构),而把衬砌(人工结构)转变成扶持围岩稳定的一种支护措施。锚喷支护和围岩粘结在一起,形成一个统一体,二者互相依存,彼此制约,共同变形,联合受力,而真正起作用的是围岩。

它的作用机理可以从以下几方面来认识。

(1)锚喷支护能够积极保持和提高围岩的二次强度。锚喷支护的及时性和密贴性,在保持和提高围岩二次强度方面有着特别积极的作用。在洞室开挖后的短时间内,喷射砼能够及时封闭围岩,隔绝大气对围岩的风化作用,防止围岩二次强度急剧降低,特别是对那些易于风化、解体的软弱围岩更加重要,它是保持和发挥围岩自稳能力的关键。另外,以高压射流形式喷射的砼,一部分砂浆渗入岩体结构面中,使互不联系或联系较弱的岩块胶结在一起,加强了围岩的整体性,提高了岩块间的抗剪能力。

穿过岩体结构面的锚杆,既起到一定的悬吊作用,又具有整体加固的效果。由于锚杆制约围岩变形,岩体结构面间的压密程度增加,摩阻力加大。锚杆本身的抗拉抗剪能力,能防止岩块松动和滑移。喷射砼和锚杆提供的支护抗力,改善了围岩的受力条件,使接近二维的受力状态又向三维受力状态转化,大大提高了围岩的二次强度。

(2)锚喷支护能够使围岩的二次应力向有利的方向调整。围岩二次应力的特点是径向应力解除或减小,切向应力成倍增加而且增加的范围主要集中在洞室周边,成为洞室失稳破坏主要原因。因此,调整二次应力的关键,除增大径向抗力外,还在于缓和切向应力的集中程度。锚喷支护在这方面有着突出的优点,由于它能保持和提高围岩的二次强度,就限制和延缓了围岩的破坏过程,为二次应力的调整争取时间。锚喷支护能够利用自身的柔性来适应围岩的蠕变。在蠕变过程中,喷层又以越来越大的径向抗力和切向抗力来支护围岩,使变形速度进一步减慢,为充分利用围岩的塑性创造了条件。

围岩的塑性使应力不断地随时间进行调整,使二次应力的分布由过度集中向平缓转化。随着二次应力向深部调整转移,塑性区的范围不断增大,稳定洞室所需要的支护力相应降低,从而减轻锚喷支护的负担。

(3)锚喷支护具有良好的受力状态。锚喷支护和围岩紧密连接,二者相互提供粘滞力,彼此制约,共同变形,支护有助于围岩的稳定,围岩改善了支护的受力状态。在围岩和支护共同工作中,柔性支护处于极有利的地位。一方面,柔性支护易于变形,作用其上的变形压力变小;另一方面,在相同的荷载作用下,柔性支护的内力总比刚性支护要小得多。因此,当锚喷支护和围岩共同承载时,支护设计柔性大些,可以更好地发挥围岩的支撑能力。

2 工程概况

盖下坝水电站位于长滩河的中上游,是长滩河流规划的第一级电站,水库总库容3.54×108m3,电站总装机容量120 MW。根据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180—2003),按库容确定工程规模为大(2)型,工程等别为Ⅰ等。坝址区位于重庆市云阳县和奉节县交界,长滩河老鸦峡峡口上游1.4 km处,施工条件较差。1#交通洞为连接坝址区与外界交通的唯一通道,其施工速度的快慢直接影响到整个工程的工期。为使坝址区尽快开工,1#交通洞出口Ⅳ类围岩段暂时采取系统锚喷的临时支护,形成施工通道,工程结束后再进行衬砌。

2.1 地层岩性

1#交通洞出口段地层为嘉陵江组第二段角砾状灰岩(T1j4-2),灰黑色—灰白色,角砾状结构,中厚层状构造。

2.2 地质构造

1#交通洞桩号0+400～0+420 m发育有一条正断层f:产状N85°W,倾NE,∠65°～80°,张开2～3 cm,岩屑夹少量泥充填。断层两盘较完整,节理较发育。层理产状:EW,倾S,∠15°,层理不发育,多闭合。桩号0+424 m至洞口0+457 m节理发育,主要发育有三组节理。

J41:N70°W,倾NE,∠65°,间距30～50 cm,微张2 mm,泥、铁锈、岩屑充填,节理面稍起伏粗糙;

J42:N25°W,倾S W,∠60°～75°,间距20～40 cm,微张2 mm,泥、铁锈、岩屑充填,节理面稍起伏粗糙;

J43:EW,倾S,∠80°,间距10～30 cm,微张2 mm,泥、铁锈、岩屑充填,节理面稍起伏粗糙。

此三组节理与层理相互切割成10～30 cm的岩块,现场初步分类:中硬岩镶嵌结构定为Ⅳ类围岩。根据《水力发电工程地质勘察规范》地下洞室围岩详细分类评分复核结果见表1。

表1 1#交通洞Ⅳ类围岩段评分表Table 1 Marking table ofⅣclasswall rock in 1#traffic hole

3 锚喷支护后稳定计算

由于开挖后围岩较破碎,现场确定系统支护为砂浆锚杆间排距1.5 m×1.5 m,深3.5 m,混凝土喷层厚15 cm,挂网网格间距20 cm×20 cm。

根据有关文献资料,可建立相关的计算公式,基本概念是:洞室周边的混凝土喷层只能是剪切破坏,并且剪切面与隧洞中心线呈20°～30°夹角(如图1)。

图1 隧洞剪切破坏示意图Fig.1 Sketch map of shear destroy about tunnel

式中:Pi喷——作用在喷混凝土层上的径向应力;τ喷——喷层的抗剪强度;δ——喷层厚度;b——支护后洞高;α——剪切面与隧洞中心线的夹角。

锚喷联合支护承载圈的承载力,其关系式见图2。

图2 锚喷联合支护承载圈的承载力示意图Fig.2 Sketch map of bearing capacity about bolt-shotcrete support load-bearing ring

式中:Pi圈——承载圈的承载力;h圈——承载圈的厚度;τ岩——承载圈岩石的抗拉强度;φ——承载圈岩石的内摩擦角;b——破坏面与洞壁交点在垂直方向上的长度;α——剪切面与隧洞中心线的夹角。

开挖后洞型呈圆形,底部垫渣后呈马蹄型,r0=5.45 m,b/2=r0cosα;因锚杆长3.5 m,取h圈=3.0 m,φ=40°,α=30°,τ岩=26 t/m2,δ=15 cm,则承载圈承载力为:Pi圈=2τ岩·h圈·cos(φ/2)/bsinα=2×26×3×0.94/2×5.45×0.87×0.5=30.9 t/m2;喷层的承载力计算,取τ喷=0.2,R喷压=290 t/m2,则Pi喷=δ τ喷/r0cosαsinα=0.15×290/5.45×0.87×0.5=18.3 t/m2;锚喷支护总承载力Pi总=Pi圈+Pi喷=30.9+18.3=49.2 t/m2。

不考虑构造应力等因素的影响下能支撑上覆松动岩体的厚度为H=Pi总/τ岩=49.2/2.6=18.9 m>2倍洞径。

而开挖影响下造成松动岩体的厚度(塌落拱仅为40 cm)远小于该厚度,且到目前为止,1#交通洞出口Ⅳ类围岩段经过一年多的考验未发现围岩失稳现象。因此,盖下坝水电站工程1#交通洞出口Ⅳ类围岩段锚喷支护是安全有效的。

4 结语

在以往我们的工程概念中,见围岩较破碎基本就需要拱架支撑,实际通过对交通洞出口Ⅳ类围岩段的计算,我们发现对中硬岩类以上Ⅳ类围岩的支护方式未必要以拱架为主,拱架支护慢影响工程进度,且支护效果比系统锚喷要差,钢结构支撑只能做一种辅助的柔性支撑,它的抗压性能相对较差,单一实施拱架支护造成隧洞塌方事件在很多工程中常见。因此我们在更为破碎的围岩条件下,必须先做好锚喷支护,在岩石强度低,自身稳定性不够的情况下再施以钢结构辅助支护,才能有效保证施工的安全。

[1] 电力工业部东北勘测设计院.地下洞室的锚喷支护[M].北京:水利出版社,1981.

[2] 郑颖人.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京:中国铁道出版社,1988.

[3] 徐志英.岩石力学[M].北京:水利水电出版社,1993:145-152.

(责任编辑:潘 潇)

Discussion on Application of Bolt-shotcrete Support Techn ique in Underground Cavern

YANG Rangquan
(Engineering Investigation Institute of China WaterN ortheastern Investigation,Design&Research Co.,Ltd.,Changchun,Jilin130021)

At present underground support,especially the temporary support is involved in almost all the hydropower projects.The use of appropriate means of underground cavern support which can not only save investment,but also promote the progress of the project,has been a project goal for geological research.Bolt-shotcrete support is the most efficientmean of construction methods,but many people have suspected the effect of bolt-shotcrete support and put for ward the arch support leading to the unnecessary investment and delaying the construction period.The paper discusses the example of the calculated effect of bolt-shotcrete supportof Gaixia dam hydropower project 1#,and highlights the boltshotcrete support.

underground cavern;bolt-shotcrete support;application

TV554+.12

A

1671-1211(2010)05-0597-03

2010-07-01;改回日期:2010-09-07

杨让全(1982-),男,工程师,地质工程专业,从事水利水电工程地质工作。E-mail:yangrangquan1982@sina.com