地下厂房岩锚梁裂缝成因分析及处理

龚少红 邓 瞻 张恩宝

0 引言

官地水电站岩锚梁在厂房第四层开挖完成后浇筑，在其下部厂房边墙开挖及机组段大体积混凝土浇筑初期，梁体出现了水平向和铅直向裂缝，局部区域梁体与围岩出现了脱开的纵向裂缝。岩锚梁混凝土裂缝的出现，会大大削弱其整体性，对结构安全较为不利。本文结合官地电站地下厂房岩锚梁裂缝实例，从地质条件、监测数据等多个角度，分析裂缝形成机制，提出了裂缝处理措施。

1 地下厂房简介

官地水电站地下洞室群规模巨大，主要由引水洞、主厂房、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水洞等组成。主厂房、主变室、尾调室三大洞室平行布置，轴线方向N5°E。主厂房全长243.44 m，吊车梁以上开挖跨度31.10 m，以下开挖跨度29.00 m，开挖高度76.30 m。

厂房区最大主应力σ1方向为N27.3°～ 53°W，平均值N35.4°W，最大主应力量级25.0 MPa～35.17 MPa。厂房轴线与厂区孔径法实测最大主应力(σ1)方向平均值的夹角40.4°。

根据地下洞室群开挖顺序及支护参数研究成果，地下厂房共分11层进行开挖，主变室共分4层进行开挖。

2 岩锚梁裂缝介绍

官地地下厂房岩锚梁顶宽2.25 m，高3.18 m，总长226.42 m。岩锚梁壁座角为35°。岩锚梁体型范围内布设两排受拉锚杆、一排系统锚杆和一排受压锚杆。受拉锚杆均采用长12 m@70 cm的φ40Ⅲ级精轧螺纹钢筋，入岩9.7 m，靠近岩壁的1.5 m范围内涂抹沥青。上排受拉锚杆上倾角25°，下排受拉锚杆上倾角20°。系统锚杆采用长9 m@150 cm的φ32Ⅱ级钢筋，水平入岩7.5 m。受压锚杆采用长9 m@70 cm的φ32Ⅱ级钢筋，垂直岩面入岩7.5 m。在岩锚梁上下分别间隔布置了一排1 750 kN和1 500 kN的预应力锚索。

岩锚梁于2008年10月19日进行第一仓混凝土浇筑，至12月10日岩锚梁混凝土浇筑全部完成。2010年2月中旬厂房基坑开挖完成，1号机组锥管混凝土浇筑完成后检查发现在上游岩锚梁出现多处裂缝。上游岩锚梁顶部平台裂缝的延伸长度为0.18 m～1.9 m，其中有50%的裂缝其延伸长度介于1.5 m～2.0 m之间，另有42%的裂缝延伸长度小于0.5 m。裂缝宽度为0.1 mm～2.5 mm，裂缝宽度小于0.5 mm的占总数的84%。立面裂缝延伸长度为0.3 m～2.4 m，其中62%的裂缝其延伸长度介于2.0 m～2.5 m之间，另有32%的裂缝其延伸长度小于0.5 m。裂缝分布最集中的部位为厂横0+088 m～0+076 m一段。

3 裂缝部位地质条件

厂房上游边墙厂横0+20 m～0+130 m段，主要错动带出露12条，组成物质均以糜棱角砾岩、压碎岩、石英为主，力学类型为岩屑岩块型。延伸长度从21 m～60 m不等。此段岩体围岩类别:1 227.0 m高程以上以Ⅲ类为主，局部裂隙密集发育部位或错动带交汇部位，岩体较破碎，1 227.0 m高程以下以Ⅱ类为主。厂房3号，4号机组上游边墙存在错动带 fx12(N60°-70°W/NE∠70°)，fx22(N30°W/SW ∠65°-70°)，fx11(N35°W/NE ∠75°-80°)，fx23(EW/N∠75°)，fx45(EW/N∠40°-45°)，fxk09(N65°-70°E/SE∠75°-80°)软弱结构面。自2009年10月份以来，在上游边墙3号～4号机组段发现多处喷层裂缝，岩锚梁上部出现4条喷层裂缝，最长为10.21 m;岩锚梁下部出现4条喷层裂缝，延伸最长的为6.68 m。

3号压力管道内距离厂房上游边墙12 m～22 m范围内发育有与厂房边墙近似平行的高陡倾角结构面，主要包括错动带fx3-15和裂隙密集带N10°W/SW∠70°。错动带fx3-15在压力管道左侧半洞1 195 m高程附近宽度约1 cm～3 cm，延伸至右侧半洞1 195 m高程附近后，渐变为一条裂隙，裂面可见明显擦痕，但该条错动带在上游边墙上并未出露。

4 裂缝成因分析

在裂缝密集区厂横0+076 m处岩锚梁及其上、下部均布置有监测断面，监测断面的仪器布置见图1和图2。仪器编号约定如下:M代表多点位移计，上标4表示四点式多点位移计，4个测点的深度为:28.5 m，22.5 m，12.5 m，5.5 m;R3代表锚杆应力计;PR代表锚索测力计;下标数值代表监测仪器编号，CF代表工程部位，即厂房。

图1 厂房上游边墙监测仪器布置图（厂横0+076 m）

4.1 变形监测成果分析

图3和图4分别为岩锚梁水平和铅直变形动态演化特征曲线，从图中可以看出:上游吊车梁在厂横0+60 m～0+120 m水平变形较大，向两侧呈非对称减小趋势，大桩号部位受到安装间端部约束作用变形相对较小;各部位随下卧开挖逐渐增大，变形增长大的时段为主厂房第5层～第7层开挖期间。上游吊车梁铅直向变形在小桩号上抬，大桩号下沉，分界点大致在3号机组附近，随厂房下部开挖及4条压力管道与4尾水洞开挖，沉降和抬升不断变化，变化较大对应7层～11层开挖期。分析表明:随着主厂房向下开挖，吊车梁产生了水平方向和铅直方向的不协调变形。

图3 上游吊车梁水平位移沿厂房轴线方向变化图

图2 岩锚梁监测仪器布置图（厂横0+076 m）

图4 上游吊车梁铅直位移沿厂房轴线方向变化图

图5 锚杆应力历时图（厂横0+076 m上游岩锚梁EL1 226.98 m）

4.2 支护应力监测成果分析

图5和图6给出了岩锚梁部位锚杆应力计的监测值随时间变化曲线。从2009年2月27日～2009年5月31日，应力从47.16 MPa 增加到372.68 MPa，随后增加幅度明显较少，入岩 4.0 m的测点锚杆应力达513.2 MPa，已严重超量程(400 MPa)。从2009年3月27日～2009年6月24日，应力从25.31 MPa增加到3 259.21 MPa，随后增加幅度减少，到2009年10月2日达到369.55 MPa，入岩7.0 m的测点锚杆应力达399 MPa，几乎达到量程。锚杆应力计变幅加快的时段与多点位移计变形加剧时段吻合，出现在第6层开挖的时间内。这表明地应力较高地下厂房区，洞室开挖卸荷后，在与不利地质结构面共同作用下，围岩变形由整体岩体卸荷回弹变形转化为岩体内部结构变形。

图6 锚杆应力历时图厂横0+076 m上游吊车梁EL1 226.58 m）

5 裂缝处理

岩锚梁裂缝如不进行处理会引起钢筋的锈蚀，将会降低混凝土的耐久性和抗疲劳能力，从而降低了其整体性，对结构安全不利。因此需要根据裂缝宽度及深度的不同，对厂房吊车梁上的裂缝进行潮湿型改性环氧树脂注浆处理。具体措施如下:

1)对宽度小于0.2 mm的一般浅表性裂缝，利用混凝土表层微细独立裂缝或网状裂缝的毛细作用吸收具有良好渗透性的潮湿型改性环氧树脂(注射剂)，进行表面封闭。

2)对宽度大于0.2 mm的浅表型裂缝及所有贯穿性裂缝，采用潮湿型改性环氧树脂进行压力注浆处理。压力注浆前，对裂缝周边进行密封，可在构件表面沿裂缝走向骑缝凿出槽深和槽宽分别不小于20 mm和15 mm+5t(t为裂缝最大宽度)的U形槽，然后用改性环氧树脂充填并粘贴复合材料封闭其表面。

3)岩锚梁与围岩的铅直接触面进行潮湿型改性环氧树脂注浆处理。

6 结语

官地水电站岩锚梁建造后在后续洞室开挖卸荷作用下，围岩产生非均匀变形，致使吊车梁产生水平方向和铅直方向的不协调变形，是引起混凝土发生裂缝的主要因素。通过对裂缝采用化学灌浆措施处理可满足岩锚梁稳定性和安全性要求。

[1]雅砻江官地水电站主厂房围岩稳定及上游岩锚梁安全稳定评价报告[R］.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，长江水利委员会长江科学院，2010:6.

[2]官地引水发电系统工程地质报告[R］.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2007.

[3]雅砻江官地水电站地下厂房洞室群施工期快速监测与反馈分析[R］.长江水利委员会长江科学院，2009:6.