超大型地下洞室拱圈支护锚杆应力特性分析
时间：2022-12-04 22:40:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
左大伟，陈运涛，吴浩，刘健，朱赵辉，李秀文
（1.天津津港建设有限公司，天津 300456；
2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；
3.中国水利水电科学研究院，北京 100048）
锚杆是应用于洞室施工中简便易行的支护工具之一，在水利工程地下洞室施工中大量应用，锚杆植于围岩内部，改善围岩受力状态，使被动变形的岩体转变为主动的承载结构，从而围岩与支护结构变成共生的相互作用体系。按照锚杆的锚固形式分为机械式、粘结式和摩擦式3类，根据锚固位置又分为端头锚固与全长锚固2类，其中全长粘结型锚杆应用最广，在大型地下洞室、矿山和隧洞等工程中用量最大。因此，国内外对全长粘结型锚杆的作用机制从模型试验和数值计算两方面进行了深入研究，如葛修润等[1]、张治强等[2]通过试验探讨了锚杆对节理岩体强度的影响，Ferrero[3]进行剪切试验提出了影响锚固岩体强度的因素有锚杆材质、杆体尺寸及岩体类型，李术才等[4]、尤春安[5]、陈云娟等[6]通过理论数值计算得出了锚杆锚固效应的一系列规律。随着工程安全监测技术的发展，变形和支护结构受力等围岩稳定关键控制性变量可以现场实时监测，为全长粘结型锚杆的加固机制研究拓宽了思路和手段。
1.1 工程概况
白鹤滩水电站坐落于金沙江流域，横跨云南与四川两省，是当前在建的世界第一大水电站，2022年6月已有8台百万千瓦水轮发电机组（共16台机组）投产发电。主副厂房洞按一字形布置，由南至北依次布置副厂房、辅助安装场、机组段、安装场和空调机房，垂直埋深约260～330 m，总长438 m，高88.7 m，岩壁梁以下宽为31.0 m，以上宽为34.0 m，是世界上跨度最大的地下洞室。
洞室岩性主要为P2β31层斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、隐晶质玄武岩，局部发育第三类柱状节理玄武岩。围岩以Ⅲ1类围岩为主，局部分布少量Ⅳ类围岩。厂区内长达裂隙、断面发育，拱圈区域受缓倾角层内错动带作用明显，开挖期间实测顶拱及拱肩、拱脚累计变形最大，因此本文将拱圈作为研究的主要区域，图1所示为厂区主要地质结构面空间分布图。
图1 主要地质结构面空间分布图Fig.1 Layout of spatial distribution of main geologic structures
1.2 监测布置
左岸地下厂房设8个监测断面，布设多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计、位错计、滑动测微孔等，如图2所示。厂房拱圈布设的监测仪器以多点位移计和锚杆应力计为主，理论与实践表明，围岩差异变形与锚杆应力为耦合互馈关系[7]，因此，文中分析从围岩变形入手进而研究锚杆应力响应特征。
图2 左岸地下厂房监测布置图Fig.2 Monitoring layout of the underground powerhouse on the left bank
2.1 围岩变形破坏特征
白鹤滩左岸地下厂房岩体以柱状节理玄武岩，具有明显的脆性特征，且初始地应力大，围岩的应力强度比值高，易发生围岩变形破坏。同时，洞室跨度长，局部围岩差异大，因此在拱圈开挖初期，围岩变形表现了不同形式，总体上可分为稳定型和持续上升型[8]。进一步分析持续上升型所引起的围岩变形破坏分为应力控制型、结构面控制型、应力-结构面复合控制型3类。
1）应力控制型破坏
应力控制型破坏是因厂房埋深大，地应力高，造成围岩岩爆、片帮和破裂等，主要发生在开挖面浅表层，层内错动带LS3152影响洞段片帮剥落，深度一般为10～30 cm。这主要是地应力过大致使洞周产生切应力集中[8]。从空间分布上看，片帮破坏主要发生在完整硬岩部位，与层间错动带等软弱地质构造相关性小。
2）结构面控制型破坏
与应力控制型破坏相反，结构面控制型围岩发生的破坏与错动带、裂隙发育相关，主要表现形式为沿缓倾角结构面的塌落、掉块，受错动带、陡倾角裂隙组合等控制。地质揭露，厂房顶拱围岩内缓倾角错动带LS3152发育，当临空面至此时，易发生围岩局部掉块现象。厂房南端墙至左厂0+30桩号拱肩至顶拱位置揭露层内缓倾角错动带LS3152区域岩体较为破碎，发生较大范围塌落，塌落区域呈条带状，前后延伸范围超过30 m，宽约7.5 m，刚开挖时塌落深度0.2～0.5 m，III层开挖完增加至1～2 m。左岸地下厂房在开挖过程中发生局部掉块现象，主要在NW向陡倾角裂隙影响下掉块，规模较小，影响深度一般小于30 cm。
3）应力-结构面复合控制型破坏
白鹤滩左岸厂房跨度高达34 m，全断面无法一次开挖成型，顶部拱圈采用“先中导后扩挖”方式。分序作业导致围岩卸荷分步完成，拱圈围岩应力多次调整，局部范围出现应力集中。叠加岩石结构面的作用，层内错动带影响洞段出现较为明显的“弯曲折断”、“鼓出塌落”破坏现象，该现象在厂房上游侧较为明显，洞室成型较差。围岩破坏面与洞轴方向近于平行，发生位置主要集中在上游侧拱肩（脚）部位。破坏机制受结构面及应力集中两方面的影响。
2.2 支护锚杆应力响应
左岸厂房采用“喷锚支护、局部加强、随机支护”三者结合的形式，针对拱圈围岩变形特征，锚杆对受错动带或结构面控制的不稳定块体有主动约束作用。对错动带影响洞段的开挖期锚杆应力进行统计，占70%的锚杆处于低应力或中低应力状态（应力值小于50 MPa和50～150 MPa分别占43.33%和31.67%），应力值在250～400 MPa及超量程（应力值大于400 MPa）的比例分别为8.33%与5.00%，高应力状态锚杆主要位于围岩变形量级较大或出现多点变位计测值出现“负增长”部位。应力值在105～250 MPa比例为11.67%。
锚杆本体、起粘结作用的灌浆体以及围岩组成了锚固系统，力学特征复杂，因此通过对开挖期的拱圈锚杆应力监测数据深入分析，总结洞室错动带影响洞段的3种锚杆应力变化形式，见图4～图6（图中1.5 m、3.5 m、6.5 m指距孔口1.5 m、3.5 m、6.5 m处测点位置）。
图4 ASzc0+018-2锚杆应力时程曲线Fig.4 Stress curve of anchor rod ASzc0+018-2
图6 ASzc0-012-1锚杆应力时程曲线Fig.6 Stress curve of anchor rod ASzc0-012-1
1）台阶型
图4为0+018断面下游侧拱肩锚杆应力过程线，应力增长表现出了显著的“台阶型”，表现为3个阶段，一是台阶增长期，这主要是受锚杆附近围岩（桩号左厂0+10—0+30区域）开挖卸荷影响，掌子面向临空面变形；
二是增长减缓期，当掌子面由下游侧向上游侧转移时，应力增速减缓；
三是收敛期，此处开挖完成，掌子面继续向下远离锚杆时，锚杆应力迅速收敛。
从杆体轴向分布看，锚杆应力由浅至深递减，该特征与相对应的多点位移计所测的围岩变形由浅至深逐渐衰减的规律一致。
2）拉压型
图5为0+076断面上游侧拱脚锚杆应力过程线，分处浅部和深部的2个测点表现异化，呈浅部受拉深部受压的态势，同等规模的地下洞室（如两河口水电、乌东德水电站等）也有此类现象。造成此现象的机理大致有2种解释，一是拱座部位岩石应力的复杂性[9]，二是安装锚杆所灌注的混凝土凝固放热，不均匀温升导致了锚杆轴向压力的产生。
图5 ASzc0+077-1锚杆应力时程曲线Fig.5 Stress curve of anchor rod ASzc0+077-1
3）瞬变型
图6为0-012断面上游侧拱肩锚杆应力过程线，杆体上6.5 m的深部测点和3.5 m的浅部测点均受同侧III2-3层围岩爆破影响，锚杆应力产生骤降，约下降30%。但此处相应位置的多点位移计所测的围岩变形并无表现异常，说明锚杆应力瞬时骤降并不是围岩失稳，而是锚杆本体与围岩的粘结出现了问题。需要说明的是，瞬变型的锚杆应力变化确需与同位置的其他监测数据同步分析，共同探究发生原因。
按上述锚杆应力3种变化形式，对厂房错动带LS3152及同组节理裂隙发育洞段（桩号0-071—0+076）的锚杆应力进行分析，台阶型锚杆占比为62%，主要分布于上下游侧边墙及下游侧拱肩，此部位围岩变形以“应力控制型”为主，锚杆应力变化与监测到的变形特征吻合度高。而拉压型和瞬变型锚杆属异常变化，主要发生在受结构面控制作用较强或有剪切变形发生部位。锚杆应力响应特征与围岩变形特征有密切关联性，关联性的发生是基于“锚杆本体-灌浆体-围岩”体系的协调变形关系。在理想状态下，“锚杆本体-灌浆体-围岩”三者固结为一个整体，变形协调一致。但受现场锚杆支护施工质量、灌浆体性质、围岩特性及周围施工扰动等因素制约，“锚杆本体-灌浆体-围岩”三者又表现出非协调变形的性质。
3.1 协调变形体系
“锚杆本体-灌浆体-围岩”作为一个整体协调变形时，浅层围岩总表现出向临空面变形的趋势，锚杆在浅层围岩的部分起主动约束作用，防止此类现象发生，同时深部围岩又阻止锚杆向临空面移动，这恰好反映出了“中性点理论”。
对于全长粘结性锚杆，中性点位置的计算公式[10]如下：
式中：ρ为中性点位置；
K1、K2分别为围岩塑性区、弹性区的剪切刚度；
R、a、l分别为洞室塑性区半径、洞室半径及锚杆长度。
利用修正的芬纳公式（式（2）），结合GB 50487—2008《水利水电工程地质勘查规范》，取岩石c=1.5 MPa，内摩擦角为40°，P0=12 MPa。估算白鹤滩左岸地下厂房顶拱塑性区半径R约为27.8 m，即塑性区厚度为6.8 m，与数值分析结果接近[10]。
若假设进入塑性区的围岩剪切刚度与完整岩体相差一个数量级，即令K1=0.1K2，便得到ρ为27.7 m，可知中性点位置距临空面大于6.5 m。即锚杆应力计测点均处于锚固段，计算结果也很好地印证了台阶型锚杆应力由浅至深逐渐递减的变化规律。实际上，该类锚杆应力的变化规律可以初步推断围岩松动情况和塑性区范围。
3.2 非协调变形体系
在实际工程中，受锚杆本体、灌浆体与围岩三者材料性质的不同，加之外部施工扰动、围岩结构面分布的影响，三者非协调变形的情况也是存在的，由于不同材料界面力学机制较为复杂，本文基于监测数据对拉压型和瞬变型锚杆应力变化特征进行探究。
对2.2节中举例的锚杆应力进行分析，参阅地质资料，0+076断面上游侧拱脚缓倾角裂隙及错动带发育，结构面的存在是锚杆应力出现拉压型变化的主要因素。与该部位多点位移计（Mzc0+076-1）同步分析，围岩变形沿孔深出现分布不连续的情形，孔内11 m处的测点与6.5 m处的测点变形表现了两点间出现了“张开”变形，在“张开”变形位置，灌浆体失效，失去了锚杆本体与围岩的黏结作用，此处轴向变形相对自由，且存在沿结构面的剪切错动变形，锚杆轴力在此部位达到最大，前后两端产生异化，上部变现为拉拔，下部变现为锚固。图7展示了0+076断面上游侧拱脚“张开”变形与锚杆应力（孔内6.5 m深）的变化关系，有高度的相关性，验证了结构面导致了锚杆与围岩间有细微的非协调变形，导致了局部锚杆应力异常变化的发生。
图7 锚杆应力与围岩“张开”变形关系曲线Fig.7 Relationship between stress of anchor rod and"opening"deformation of surrounding rock
瞬变型锚杆在安装过程中就已表现出了异常，实际灌浆用量明显大于理论灌浆量（内部存在裂隙漏浆）[11]，锚杆应力主要受周围施工造孔、围岩爆破等扰动影响造成拉应力持续增长以致超限，进而使灌浆材料与锚杆本体间或灌浆材料与围岩间非协调变形而使注浆体碎裂或拉崩，锚杆应力瞬时松弛。此时，带肋钢筋表面摩擦力、机械锁力靠摩擦作用继续承担支护作用，为围岩提供部分锚固力。将此类失效锚杆“拉崩”后拔出锚杆孔，发现带出了大量破碎的灌浆材料，这恰好佐证了上述过程。
通过对白鹤滩水电站左岸地下厂房拱圈围岩变形与锚杆应力进行数据监测，结合现场实际与理论成果，对地下厂房拱圈这一复杂部位支护锚杆应力特性进行了研究，主要结论如下：
1）开挖期拱圈锚杆应力响应特征可总结归纳为台阶型、拉压型、瞬变型3类。台阶型锚杆应力表现为与监测点附近围岩开挖卸荷同步跳增，且由浅至深逐步递减；
拉压型锚杆应力表现为浅部测点与深部测点应力异化，同等规模工程中也有此类现象；
瞬变型锚杆应力表现为应力瞬时骤降，需结合该点围岩变形共同分析原因。
2）将“锚杆本体-灌浆体-围岩”作为整体进行锚杆应力响应机制分析，分为协调变形体系和非协调变形体系，台阶型锚杆属协调变形体系，与“中性点理论”相符，并可根据监测数据对围岩松动情况和塑性区范围进行快速推断；
拉压型和瞬变型锚杆为非协调变形体系，锚杆应力作用机制多与围岩断层裂隙等结构面以及由此引发的锚杆灌浆材料失效等有关。
