喷射混凝土钢筋肋拱支护结构与工程应用

冯 梅，樊熠玮，廖成刚，侯东奇

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

喷射混凝土钢筋肋拱支护结构是在工程实践中提出的一种新型的支护结构型式，主要应用于大中型地下洞室顶拱不良地质地段的围岩支护。大朝山水电站地下厂房在国内首次采用“钢筋肋拱+喷射钢纤维混凝土”柔性支护技术，成功代替传统的钢筋混凝土衬砌，节约工程投资2 000万元，取得良好的社会经济效益[1]。锦屏一级水电站地下厂房洞室群在开挖过程中，受高地应力、岩体强度相对较低、断层等特殊地质因素影响较大，为确保不良地质地段的支护力度，同时方便施工，在支护设计上较多地采用了这种支护型式。

2 结构设计与施工过程

喷射混凝土钢筋肋拱支护结构充分利用了喷混凝土及时快速对围岩开挖面进行封闭的优点，同时采用钢筋拱架增强了喷层的刚度和强度，可以在常规喷射厚度的基础上适当增加喷层厚度，从而为围岩提供更大的侧向压力。钢筋拱架可根据实际开挖断面现场制作和安装，遇到超挖严重的地方，还可以增加附拱或改变钢筋形式，使肋拱钢筋紧贴开挖面，起到良好的柔性支护作用。虽然其在强度和刚度上不及钢筋混凝土衬砌，但钢筋肋拱结构能充分发挥围岩的自身承载作用，且结构设计简单，制作方便，能适应现场施工的需要，快速对围岩进行支护，保证了围岩支护的及时性，对围岩稳定十分有利。特别是对于大中型地下洞室的顶拱支护，当遇到断层、软弱夹层等不利地质条件时，采用喷射混凝土钢筋肋拱支护结构是较好的选择。

根据国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》[2]的规定，锚喷支护设计宜以工程类比法为主，设计参数主要由围岩类别和洞室规模决定。常见的挂网喷护设计厚度为50～200mm，规范建议一般情况下不宜超200mm，挂网钢筋多为φ8～φ12。工程实践证明，对于Ⅱ、Ⅲ类围岩，在外部地应力属于低～中等强度的情况下，这样的设计参数是比较合适的；但对于外部地应力较高，岩体条件较差一些的Ⅲ类、Ⅳ类或岩体条件相对好一些的Ⅴ类围岩，特别是出现断层或裂隙较发育时，上述锚喷支护的强度就显得有点弱，需要适当提高支护强度。提高支护强度一方面可以提高喷射混凝土的强度等级，采用C25、C30等，或者采用聚乙烯或钢纤维混凝土等；另一方面需要提高钢筋网的强度，以合理抑制围岩较大的变形和破坏效应，这种情况下喷射混凝土钢筋肋支护结构就更为合适。相比较而言，喷射混凝土钢筋肋拱的支护强度处于一般的锚喷和衬砌混凝土之间，可以在岩体条件合适的情况下替代衬砌混凝土作为围岩的复合支护措施。

喷射混凝土钢筋肋拱支护结构由喷射混凝土、钢筋拱架、系统连接锚杆和局部固定锚筋等组成。喷射混凝土为常规喷混凝土或钢纤维混凝土，强度等级为C25或C30等，根据工程实际情况选择。采用纤维混凝土时，纤维的掺量要合适，建议在试验的基础上确定。笔者在工程实际中发现，钢纤维在地下水入渗的情况下容易生锈，故应注意加强排水。钢筋拱架可根据实际开挖断面的量测数据现场制作，采用单层或双层钢筋拱架，也可以单、双层间隔使用，钢筋直径以20～36mm比较合适。系统连接锚杆利用顶拱围岩系统砂浆锚杆，将其外露部分与钢拱架焊接，以起到固定拱架和联合受力的作用。局部固定锚筋主要包括施工用固定插筋和锁脚锚杆或锚索等；或在钢筋拱架端部围岩区开挖形成小拱座，以辅助支撑拱架。肋拱厚度的设计，笔者结合锦屏一级地下厂房洞室群支护设计的实践和现场观察到的效果，建议单层拱钢筋拱架以20～30mm比较合适，双层以30～40mm要好一些。具体设计时还要充分考虑洞室的规模和地质条件，结合现场施工水平选择合适的参数。

喷射混凝土钢筋肋拱支护施工过程为：系统砂浆锚杆安装→初喷混凝土(厚度约5cm)→钢拱架现场制作→钢拱架安装→锁脚处理→分序施喷混凝土→质量评定与修补。当采用双层钢拱架时，应分层安装，分层施喷，分层厚度以15～20cm为宜。分序施喷混凝土时，应以5cm厚度分序，在上一序达到设计要求时再施喷下一序。实际施工时需要做好系统锚杆和钢拱架之间的焊接连接，以及保证施喷混凝土的密实性，确保肋拱质量和工程安全。

值得注意的是，每一个具体的洞室或洞室群，总是赋存于特定的地质环境中，洞室的稳定受到特殊地质条件(诸如地应力、岩性、地下水、断层以及节理裂隙等)、洞线布置和洞室开挖规模等众多因素的控制，围岩稳定收敛过程十分复杂，支护系统的力学状态差异很大。因此，在喷射混凝土钢筋肋拱支护结构的具体设计和施工过程中，要充分考虑洞室所处的实际地质环境。一般情况下，地应力、岩石力学性能、断层和节理裂隙、地下水等在空间上都存在较明显的变异性，分布很不均匀，容易在洞室顶拱形成不对称受力状态，产生偏压现象。容易理解，在顶拱部位的拱脚应力比较集中，当洞室高度相对较大时，集中区域具有向拱弧上移的趋势。为了克服这种对围岩稳定十分不利的力学状态，肋拱设计时要加强固脚设计，可采用锁脚锚杆或锚筋束，也可用锚索或锚梁等，必要时可将拱脚开挖轮廓线设计为斜面以支撑顶拱压力。当偏压现象比较严重时，宜对结构稳定影响较大一侧的拱弧至拱脚部位适当进行加强支护，如加密系统连接锚杆、增加局部加强锚索或锚梁，使肋拱受力达到均衡状态。

3 工程应用

3.1 工程背景

锦屏一级水电站引水发电系统布置于坝区右岸，地下厂区洞室群规模巨大，主要由引水洞、地下厂房、母线洞、主变室、尾水调压室和尾水洞等组成，三大洞室平行布置。地下厂房位于大坝下游约350m的山体内，水平埋深约110～300m，垂直埋深约180～350m。厂房轴线NW65°，厂内安装6台600MW机组，厂房全长276.99m，吊车梁以下开挖跨度25.60m，以上开挖跨度28.90m，开挖高度68.80m；其中主机间尺寸为204.52m×25.90m×68.80m(长×宽×高)。主变室位于主厂房下游，顶拱中心线与主厂房轴线间距67.35m，长197.10m，宽19.30m，高32.70m。设置两个圆形尾水调压室，采用“三机一室一洞”布置型式。

3.2 工程地质条件

厂区地质条件十分复杂，涉及岩性为杂谷脑组第二段第2、3、4层大理岩夹绿片岩，围岩类别以Ⅲ1类为主，饱和单轴抗压强度Rb为60～75MPa。岩体强度应力比(Rc/σmax)为1.5～4，属于极高～高地应力区域。可研阶段测试成果显示，地下厂区最大主应力σ1=20～35.7MPa，σ2=10～20MPa，σ3=4～12MPa。σ1的方向介于N28.5°W～N71°W之间，平均N48.7°W，σ1倾角约20°～50°，平均倾角34.2°。

地下厂区主要发育有NE向的f13、f14、f18三条断层，较规模大，断层走向与厂房轴线约呈45°角；与f18断层相伴发育有灰绿色云斜煌斑岩脉(X)，分布于主厂房空调机房、第一副厂房、主变室及尾水调压室等位置，一般宽2～3m，局部达7m，大多岩性较差，属Ⅳ～Ⅴ类岩体。此外还有NEE～EW向和NW～NWW向的小断层，以及四组主要节理裂隙：①N40°～60°E，NW∠25°～35°；②N50°～70°E，SE∠50°～80°；③N50°～70°W，NE(SW)∠80°～90°；④N25°～40°W，NE(SW)∠80°～90°。地下水较活跃，特别是断层附近多表现为渗水、滴水，甚至涌水。

3.3 肋拱结构设计

厂区特殊的地质条件给洞室群开挖支护设计和施工等带来了很大的困难。为了满足洞室开挖后围岩稳定的要求，同时方便现场施工、及时支护，针对顶拱部位断层主错带及影响带范围，采用了喷射混凝土钢筋肋拱支护结构型式。

f13断层斜穿过厂房安装间部位，断层带起伏，主错带宽1～2m，最宽达3m，主要由碎裂岩、角砾岩、糜棱岩构成，胶结，挤压紧密，多强风化。断层下盘影响带宽约1～3m，破碎，呈镶嵌碎裂结构，但嵌合紧密；上盘影响带宽10～20m，受断层及地下水影响，带内裂面普遍强烈锈染。该断层对安装间洞室稳定十分不利，影响范围较大。断层主错带为Ⅴ类围岩，影响带区域主要为Ⅳ类围岩，局部为Ⅲ2类围岩。顶拱开挖支护设计中采用了双层喷射混凝土钢筋肋拱支护结构，肋拱厚度50cm(内层30cm，外层20cm)，榀距1.6～2.0m。内层采用双向布筋，钢筋直径为20mm(沿厂房轴线方向)和25mm(洞室剖面方向)；外层采用单向布筋，钢筋直径为36mm(洞室剖面方向)，通过连接筋与内层焊接。现场施工次序为：初喷5～8cm钢纤维混凝土→系统锚杆→钢筋肋拱制作与安装→按照设计要求分序施喷混凝土。围岩安全监测数据表明，支护效果良好，围岩处于稳定状态，也鲜见明显的表面喷层裂缝出现。相邻肋拱之间喷混凝土厚度由圆弧线过渡。

f14断层穿过厂房主机间、主变室以及1号尾水调压室等洞室。断层带起伏，总体产状N60°～70°E/SE∠70°～80°，破碎带宽度0.2～3.5m。上、下盘影响带宽度一般3～5m，局部近20 m，风化较强，岩体呈黄色。f18断层沿后期侵入的煌斑岩脉和大理岩的接触面发育，大角度斜穿河床延至右岸，产状N70°E /SE∠70°～80°，带宽20～40cm，主要由灰黑色糜棱岩、角砾岩组成。后期侵入的煌斑岩脉，产状N60°～75°E/SE∠60°～75°，脉厚一般2～4m，在顶拱形状不规则，局部仅厚5～80cm，且不连续。断层主错带和煌斑岩脉带为Ⅴ类围岩，影响带区域主要为Ⅳ类围岩，局部为Ⅲ2类围岩。f14断层、f18断层及煌斑岩脉对主厂房和主变室的洞室稳定有很大影响，开挖支护设计同样采用了喷射混凝土钢筋肋拱支护结构。主厂房f14断层带采用双层钢筋肋拱，内外层钢筋之间通过连接筋相互焊接，同时与顶拱系统锚杆焊接；肋拱厚度40cm(内层20cm，外层20cm)，间距1.2～1.5m，钢筋直径36mm；根据断层主错带宽度相对较小、影响带内岩体质量稍差的特点，肋拱与肋拱之间没有布置水平连接筋。主变室f14断层带和f18断层带与煌斑岩脉部位均采用单层肋拱，厚度20cm，间距1.5m，钢筋直径36mm。

应该关注的是，受地应力和岩层产状等因素的影响，主厂房f14断层范围内的肋拱下游拱弧至拱脚部位出现了规模性裂缝，钢筋内鼓，裂缝长达1～3m，宽约1～10cm，局部深度达5～10cm以上，十分发育。通过深入分析认为，这种现象与主应力和岩层产状的方向性密切相关，属于典型的偏压现象。为了保证围岩稳定和肋拱结构安全，施工中在下游拱脚和拱弧部位进行了锚梁加固。锚梁为局部加强小吨位锚索+钢板梁的复合支撑结构，利用锚梁将相互独立的肋拱连接成整体受力结构，提高了强度和刚度。

4 结束语

喷射混凝土钢筋肋拱支护结构是一种新型的地下洞室顶拱支护形式，特别适用于大中型地下洞室或地质条件比较差的洞段。由笔者参与设计的几项工程实践证明，钢筋肋拱结构设计简单，投资节省，施工方便，能快速及时地提供围岩侧向压力，支护效果良好，有利于洞室稳定，在特定条件下可替代钢筋混凝土衬砌。在结构设计和施工过程中，要充分考虑各种外部因素，包括地质水文条件，制定完善的喷射混凝土施工工艺，深入分析洞室受力特点，加强监测资料反馈分析等，做到具体情况具体设计，保证结构设计安全、经济、合理，施工质量可靠。

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