一種地下洞室掛頂混凝土結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種地下洞室掛頂混凝土結構，包括掛頂混凝土；所述掛頂混凝土的兩拱肩部位未設置拱座，而是安裝有拱肩預應力錨桿；所述拱肩預應力錨桿插入洞室的圍巖形成穩固結構。本發明同時提供一種地下洞室掛頂混凝土結構，本發明能夠有效保證掛頂混凝土的施工效果、簡化施工，大大提高了施工效率。本發明的檢測數據可知（詳見下面的實施例和附圖），本發明的結構穩固性是十分可靠的，打破了以往行業內認為掛頂混凝土結構只能用拱座支撐才可靠的技術偏見。
【專利說明】一種地下洞室掛頂混凝土結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及水力建筑工程，特別涉及一種地下洞室掛頂混凝土結構。
【背景技術】
[0002]掛頂混凝土(即頂拱混凝土襯砌)適用于以下開挖情況的地下洞室:1.地下洞室結構高度大，襯砌混凝土如果采取先挖后襯的方案，需要在開挖完成后搭建很高的滿堂承重排架進行，不僅施工難度大，施工期存在安全隱患，工期也相對較長。為降低后期混凝土襯砌施工難度，在地下洞室第一層開挖后即進行掛頂混凝土的襯砌施工；2.地下洞室圍巖條件差，在地下洞室第一層開挖后即施工掛頂混凝土的襯砌，以保證后期開挖施工時的圍巖穩定和施工安全。
[0003]以往掛頂混凝土的技術方案(見附圖1)，需要在掛頂混凝土 2的兩拱肩預留拱座4，拱座4類似一個卡舌，將掛頂混凝土 2的應力傳遞至洞室圍巖。這種方案設計存在以下冋題:
1)預留的拱座開挖成形困難，即使精心施工也難免出現大范圍超挖甚至拱座懸空的情況，此時反而削減了掛頂混凝土的承載能力，惡化了結構安全；
2)兩拱肩預留拱座的掛頂混凝土，在完成地下洞室全斷面襯砌后，由于預留拱座回填的混凝土結構尺寸大、剛度大，易在該部位產生較大的應力集中，改變了地下洞室混凝土襯砲結構承載的完整性；
但是，在洞室襯砌混凝土尺寸較大，掛頂混凝土的自重大時，如果不設計拱座結構進行穩固的話，混凝土維持其自身穩定非常困難，容易引發事故；因此，上述帶有較大缺陷的拱座設計仍然得到了廣泛使用，水利行業技術人員出于技術成熟性的考慮，一般都不會采用其他“不可靠”的方案，行業內存在一定的思維慣性和技術偏見。
【發明內容】
[0004]基于現有技術的不足，本發明要解決的問題是提供一種無拱座、采用預應力錨桿加固兩側拱肩的掛頂混凝土技術方案，保證無拱座的情況下掛頂混凝土在圍巖壓力和自重應力下的安全。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提供一種地下洞室掛頂混凝土結構，包括掛頂混凝土 ；所述掛頂混凝土的兩拱肩部位未設置拱座，而是安裝有拱肩預應力錨桿；所述拱肩預應力錨桿插入洞室的圍巖形成穩固結構。
[0006]預應力錨桿參數按照下述方法確定:按照隧洞設定的分層開挖情況，采用通用有限元計算程序(ANSYS、ABAQUS等)，計算在山巖壓力、爆破震動情況下掛頂混凝土在施工過程和洞室開挖過程期間的穩定應力狀況，根據計算的拱肩部位的拉應力和剪應力的大小，確定每米掛頂混凝土結構在拱肩所需要的加固預應力，從而確定選用的預應力錨桿的根數、排距和每根錨桿的預應力值。根據隧洞圍巖的地質情況確定錨桿的錨固端位置，從而確定預應力錨桿的長度。結合上述確定的預應力錨桿的預應力值和長度，確定所選預應力錨桿的直徑大小。
[0007]上述拱肩預應力錨桿為多排，排距為l~2m。
[0008]上述拱肩預應力錨桿的長度為4.5~9m。
[0009]上述拱肩預應力錨桿的直徑為18~40mmo
[0010]上述拱肩預應力錨桿每根后期預應力為40~150KN。
[0011 ] 上述拱肩預應力錨桿為HRB335級或HRB400級螺紋鋼筋制作。
[0012]本發明通過預應力方式使得襯砌拱肩與圍巖緊密結合，將掛頂混凝土的應力傳遞至洞室圍巖。隨著洞室的開挖下臥，圍巖邊墻水平向變形增加，使得掛頂混凝土兩側拱腳混凝土與邊墻圍巖進一步結合緊密，兩者之間的摩擦力進一步增加，掛頂混凝土的施工效果得到可靠保證。
[0013]本發明能夠有效保證掛頂混凝土的施工效果、簡化施工，大大提高了施工效率。而且從本發明的檢測數據可知(詳見下面的實施例和附圖)，本發明的結構穩固性是十分可靠的，打破了以往行業內認為掛頂混凝土結構只能用拱座支撐才可靠的技術偏見。
[0014]下面結合附圖詳細說明本發明，其作為本說明書的一部分，通過實施例來說明本發明的原理，本發明的其他方面、特征及其優點通過該詳細說明將會變得一目了然。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。
[0016]圖1是現有技術帶拱座的掛頂混凝土結構剖面圖；
圖2是本發明不帶拱座的掛頂混凝土結構剖面圖；
圖3是本發明掛頂混凝土結構典型監測斷面圖；
圖4為本發明實施例中多點位移計M4a7-2的位移-時間曲線圖；
圖5為本發明實施例中多點位移計M4b7-2的位移-時間曲線圖；
圖6為本發明實施例中多點位移計M4a7-3的位移-時間曲線圖；
圖7為本發明實施例中多點位移計M4b7-3的位移-時間曲線圖；
圖8為本發明實施例中頂拱測縫計Ja7-1的開合度-溫度曲線圖；
圖9為本發明實施例中頂拱測縫計Jb7-1的開合度-溫度曲線圖；
圖10為本發明實施例中鋼筋計應力-時間曲線圖；
圖11為本發明實施例中錨索計應力-時間曲線圖。
[0017]圖1-11中附圖標記的對應關系為:
I—洞室；
2掛頂混凝土；
3---洞室后期饒筑襯砌混凝土；
4拱座；
5拱肩預應力錨桿；
6—尾水洞上部排水洞；
7左拱肩多點位移計M4a7-2 (①尾水洞)、M4b7_2 (②尾水洞)；
8右拱肩多點位移計M4a7-3 (①尾水洞)、M4b7_3 (②尾水洞)； 9頂拱測縫計Ja7-1 (①尾水洞)、Jb7-l (②尾水洞)；
10左拱肩錨索測力計D a7P-l ；
11右拱肩錨索測力計D a7P-2 ；
12左拱肩鋼筋計R a7-3 ；
13---頂拱鋼筋計R a7_4 ；
14右拱肩鋼筋計R a7-5?
【具體實施方式】
[0018]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。為敘述方便，下文中如出現“上”、“下”、“左”、“右”字樣，僅表示與附圖本身的上、下、左、右方向一致，并不對結構起限定作用。
[0019]如圖2所示，一種地下洞室掛頂混凝土結構，包括掛頂混凝土2 ;所述掛頂混凝土2的兩拱肩處未設置拱座4，而是安裝有拱肩預應力錨桿5 ;所述拱肩預應力錨桿5插入洞室I的圍巖形成穩固結構。
[0020]本實施例為某西部水電站工程。該工程裝機8臺800MW的巨型機組，其右岸地下電站裝機4臺，機組額定水頭100.0m，單機額定引用流量為890m3/s，引水系統采用I洞I機布置，尾水系統采用2機I洞的布置方式。該地下電站2條尾水隧洞長度為310m和370m，尾水隧洞的襯砌厚度為l~2m，洞室開挖最大尺寸為24.4mX 38.4m (寬X高)，開挖尺寸大，邊墻高，圍巖地質條件復雜，開挖過程中圍巖穩定控制難度大，襯砌難度大，施工安全風險大。為降低后期混凝土襯砌施工難度，保障尾水隧洞的開挖施工安全，施工時采用本技術方案，在尾水洞洞室第一層開挖后即進行了無拱座掛頂混凝土的襯砌施工。
[0021]采用大型通用有限元計算軟件ABAQUS建立計算模型進行計算分析，在自重和山巖壓力作用下，無拱座掛頂混凝土拱肩兩側下部為壓剪受力，應力較小，拱頂的徑向拉應力為0.0848MPa~0.2172MPa，折算每米掛頂混凝土結構在兩側拱肩共需470KN加固力，確定兩側拱肩徑向各選用2根預應力錨桿，水平向各布置I根預應力錨桿鎖定，每根錨桿的預應力值為100KN，排距均為lm，可以提供加固力為600KN。由于尾水隧洞圍巖裂隙較發育，預應力錨桿的錨固端(長2m)位于的完整穩定巖體距離開挖面5~7m，確定錨桿的長度為9m，結合上述確定的錨桿的預應力值(100KN)和長度(9m)，確定預應力錨桿大小直徑為32mm較為合適。預應力錨桿采用HRB335級螺紋鋼筋制作。最終設計參數為:兩側拱肩各設置3根長9m、預應力值為100KN的預應力錨桿，對掛頂混凝土每側拱肩部位共施加300KN預應力壓力。
[0022]為檢測這種無拱座掛頂混凝土方案的實際運行效果，在平行的兩個尾水洞①和②布置了多個監測斷面，對掛頂混凝土部位進行了連續監測。
[0023]該水電站尾水隧洞2008年開始1#、2#洞第一層的開挖和掛頂混凝土施工，2010年完成洞室的下臥開挖，2012年完成洞室邊墻和底板的混凝土施工，同年10月下閘蓄水。典型斷面(見圖3)在此期間的監測數據整理如下。
[0024]注:①尾水洞中的左拱肩多點位移計7的編號為M4a7_2，右拱肩多點位移計8的編號為M4a7-3，頂拱測縫計9的編號為Ja7_l。
[0025]②尾水洞中的左拱肩多點位移計7的編號為M4b7_2，右拱肩多點位移計8的編號為M4b7-3，頂拱測縫計9的編號為Jb7-1。
[0026]1、多點位移數據(如圖4、5、6、7所示)
技術人員為監測拱肩圍巖變形情況布置了多點位移計。從左拱肩多點位移計M4a7_2(①尾水洞)、M4b7—2 (②尾水洞)和右拱肩多點位移計M4a7—3 (①尾水洞)、M4b7—3 (②尾水洞)的數據變化可以看出，掛頂混凝土施工后，拱肩圍巖穩定，結構安全。
[0027]2、測縫計(如圖8、9所示)
技術人員為監測掛頂混凝土與圍巖之間的變形情況布置了測縫計。從兩條尾水主洞頂部的兩支測縫計(Ja7-l、Jb7_l)測值過程線來看，自埋設后測值變化均不大，掛頂混凝土施工后，掛頂混凝土和圍巖均運行穩定，結構安全。
[0028]3、鋼筋計(如圖10所示)
技術人員為監測掛頂混凝土的受力情況布置了鋼筋計。從三支鋼筋計的過程線圖來看，各支鋼筋計測值較小且穩定。2012年底，機組發電充水、尾水洞承載，測值產生了突變，屬于正常現象。掛頂混凝土施工后運行穩定，結構安全。
[0029]5、錨索測力計(如圖11所示)
技術人員為監測掛頂混凝土上部圍巖穩定情況布置了錨索測力計。從錨索測力計來看，變化基本穩定。掛頂混凝土施工后運行穩定，上部圍巖穩定安全。
[0030]通過在掛頂混凝土施工、運行的3年多時間里對襯砌鋼筋應力、圍巖的應變與開合度等指標的監測，掛頂混凝土施工后，掛頂混凝土和圍巖均運行穩定，結構安全。采用無拱座掛頂混凝土的技術方案不僅有效保證了該大型尾水隧洞下臥開挖階段的施工安全，而且減小了后期洞室襯砌混凝土的施工難度，降低了工程風險和工程費用。
[0031]本發明具有效果好、結構簡單、效率高等優點，具有較好的推廣價值。
[0032]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種地下洞室掛頂混凝土結構，包括掛頂混凝土(2);其特征在于:所述掛頂混凝土(2)的兩拱肩部位未設置拱座(4)，而是安裝有拱肩預應力錨桿(5);所述拱肩預應力錨桿(5 )插入洞室(I)的圍巖形成穩固結構。
2.根據權利要求1所述的地下洞室掛頂混凝土結構，其特征在于所述錨桿的分布和規格是通過如下過程確定的:采用通用有限元計算程序，計算在山巖壓力、爆破震動情況下掛頂混凝土在施工過程和洞室開挖過程期間的穩定應力狀況，根據計算的拱肩部位的拉應力和剪應力的大小，確定每米掛頂混凝土結構在拱肩所需要的加固預應力，從而確定選用的預應力錨桿的根數、排距和每根錨桿的預應力值；根據隧洞圍巖的地質情況確定錨桿的錨固端位置，從而確定預應力錨桿的長度；結合上述確定的預應力錨桿的預應力值和長度，確定所選預應力錨桿的直徑大小。
3.根據權利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結構，其特征在于:所述拱肩預應力銷桿(5)為多排，排距為l~2m。
4.根據權利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結構，其特征在于:所述拱肩預應力銷桿(5)的長度為4.5~9m。
5.根據權利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結構，其特征在于:所述拱肩預應力錨桿(5)的直徑為18~40mmo
6.根據權利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結構，其特征在于:所述拱肩預應力錨桿(5)每根的后期預應力為40~150KN。
【文檔編號】E21D11/10GK104453950SQ201410831995
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月29日 優先權日:2014年12月29日
【發明者】辜曉原, 許莉, 劉益勇, 覃玉蘭, 王毅 申請人:中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司