一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构及设计、施工方法与流程

本发明涉及位于软弱围岩中的水电站地下洞室的工程结构，尤其涉及一种采用中国标准并融入欧美设计理念，在海外工程得到成功应用的软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构及设计、施工方法。

背景技术：

岩壁吊车梁源于挪威，其原理是通过开挖出倾斜的岩石基座以及若干排上倾普通砂浆锚杆，将混凝土吊车梁与岩壁进行固定。岩壁吊车梁在鲁布革水电站第一次引入中国，逐渐在国内地下工程得到广泛应用，并形成专门的设计规范《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》。但在国外岩壁吊车梁应用较少，且未形成国际规范。国外工程师认为采用普通锚杆无法阻止吊车梁在桥机荷载下的侧向位移，而侧向位移过大将影响桥机正常运行，通常要求采用预应力锚索固定或混凝土柱支撑吊车梁。

中国企业在国际市场承担了越来越多的水电工程，中国标准和中国理念也随之出海。岩壁吊车梁可实现桥机提前投运，对工期较为有利，因此在所承包的工程内通常采用岩壁吊车梁。由于国外工程师对岩壁吊车梁设计理念的不认可，因此推广难度很大。

《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》第1.0.2条款提出，“本规范适用于1、2、3级水电站地下厂房，围岩类别为i类、ii类、iii类地下厂房普通砂浆锚杆岩壁吊车梁设计，对于局部iv类或v类围岩，应采取必要的工程措施。”对于围岩类别为iv类及更差的地下厂房岩壁吊车梁设计，规范不完全适用。本发明拓宽了岩壁吊车梁的应用范围，提出了在iv类围岩的地下厂房采用岩壁吊车梁的解决方案。

技术实现要素：

本发明提供一种可以广泛应用于软弱围岩条件下的地下洞室的岩壁吊车梁结构及设计、施工方法，既满足桥机荷载作用下岩壁吊车梁的稳定性要求，也保证岩壁吊车梁提前工期的优势。更重要的是本发明依据中国岩壁吊车梁设计规范，同时融合了国际设计理念，具有国际适用性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构，包括设置在岩壁表面的岩梁基座，所述岩梁基座的岩面为斜坡面，其特征是，岩梁基座的岩面设置混凝土岩壁梁、上附壁墙和下附壁墙，所述上附壁墙、混凝土岩壁梁和下附壁墙自上而下与土岩壁梁的岩面紧密接触不预留结构缝且整体浇筑，混凝土岩壁梁设有插入岩壁内的两根普通受拉锚杆、一根第一高强预应力锚杆和受压普通锚杆，上附壁墙设有一根插入岩壁内的第二高强预应力锚杆，下附壁墙设有两根插入岩壁内的普通锚杆。

作为优选，所述受拉普通锚杆一端插入混凝土岩壁梁，另一端向上倾斜穿过岩梁基座插入岩壁内；第一高强预应力锚杆一端插入混凝土岩壁梁，另一端水平穿过岩梁基座插入岩壁内；所述受压普通锚杆一端插入混凝土岩壁梁，另一端向下倾斜穿过岩梁基座插入岩壁内。

作为优选，所述混凝土岩壁梁内预设有第一波纹管，所述第一波纹管水平贯穿混凝土岩壁梁，第一高强预应力锚杆一端插入所述第一波纹管内，另一端水平穿过岩梁基座插入岩壁内。

作为优选，所述上附壁墙内预设有第二波纹管，所述第二波纹管水平贯穿上附壁墙，第二高强预应力锚杆一端插入所述第二波纹管内，另一端水平穿过岩梁基座插入岩壁内。

作为优选，所述普通锚杆一端插入下附壁墙，另一端水平穿过岩梁基座插入岩壁内。

本发明同时提供一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构的施工方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在岩壁表面施工岩梁基座，并完成普通受拉锚杆、受压普通锚杆、普通锚杆的钻孔、插杆和注浆工作；

步骤2，在岩壁上完成第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆的钻孔，对第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆的锚固段进行注浆；

步骤3，立模并绑扎混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙的钢筋，同时在混凝土内部预留第一波纹管和第二波纹管；

步骤4，浇筑混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙；

步骤5，待混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙达到设计强度后，允许开挖下一层；在下一层开挖过程中，安装第一高强预应力锚杆(601)和第二高强预应力锚杆(602)的垫板，采用千斤顶或扭力扳手将第一高强预应力锚杆(601)和第二高强预应力锚杆(602)张拉至设计力，再安装螺母锁定，对第一高强预应力锚杆(601)和第二高强预应力锚杆(602)的自由段进行灌浆并对锚头进行防腐处理。

本发明同时提供一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构的设计方法，其特征是，不考虑普通受拉锚杆、第一高强预应力锚杆、第二高强预应力锚杆和普通锚杆的作用，不考虑岩梁基座的作用，并包括以下步骤：

步骤101，求解第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆的预应力：假定桥机最大轮压以集中荷载形式直接作用在第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆上，作为最不利工况，将作用在混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙上的外力，以混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙总高度的中心点为基准，等效为综合弯矩和水平合力；求解围岩反力分布，并通过调整高第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆位置和预应力大小，保证混凝土岩壁梁、上附壁墙和下附壁墙与岩梁基座的岩面之间全部受压；

步骤102，求解第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆的间距：桥机最大轮压以一定扩散角的形式等效为线荷载，荷载等效方法见《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》内“4.1荷载”篇章，求解围岩反力分布，并通过调整第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆间距或预应力大小，保证混凝土岩壁梁、上附壁墙和下附壁墙与岩梁基座的岩面之间全部受压；

步骤103，求解普通受拉锚杆的承载力和间距：在第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆施加预应力之前，普通受拉锚杆仅承受结构自重，应能保证混凝土岩壁梁、上附壁墙和下附壁墙的稳定，普通受拉锚杆的计算方法，根据《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》内“4.3结构计算”篇章；

步骤104，第一高强预应力锚杆和第二高强预应力锚杆的直径、屈服能力以及锚固长度应通过验证杆体承载力、杆体与灌浆体间剪切力、灌浆体与钻孔间的剪切力计算确定：对于国际工程，可以根据《codeofpracticeforgroutedanchors》内“11anchordesign”章节确定；对于国内工程，可以根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》内“4.6设计”篇章确定。

本发明的有益效果是：(1)高强预应力锚杆保障混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙与岩面间，在桥机荷载作用时完全受压，从而避免混凝土岩壁梁的侧向位移对桥机运行的影响；(2)高强预应力锚杆保障混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙与岩面间，在桥机荷载作用时完全受压，提升了混凝土与岩面间粘聚力的可靠性以及摩擦力，进一步增加了混凝土岩壁梁的稳定性；(3)由于模板拆除后，混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙由普通锚杆与围岩固定，因此高强预应力锚杆允许在下一层开挖期间施加预应力；(4)高强预应力锚杆在下一层开挖期间实施张拉，不占用直线工期，保障了岩壁吊车梁提前投运的优势；(5)混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙的运行期稳定主要依靠高强预应力锚杆，普通锚杆仅需满足自重作用下的稳定，因此普通锚杆的间距可适当增大，减小了施工难度；(6)混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙的运行期稳定主要依靠高强预应力锚杆，因此可以适应较低岩梁基座的成型质量，提高了本发明的适应性；(7)常规岩壁梁不可避免地要对超挖进行处理，本发明采用了通长下附壁墙，兼顾超挖处理的需要；(8)本发明岩壁梁结构特征、设计原理和施工步序已经经过国外工程师审查通过，并成功应用于国外某地下工程，具有一定的国际适用性。

附图说明

图1为本发明提供的一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构示意图。

图中标注：

1、岩梁基座；2、混凝土岩壁梁；3、上附壁墙；4、下附壁墙；5、普通受拉锚杆；601、第一高强预应力锚杆；602、第二高强预应力锚杆；7、受压普通锚杆；8、普通锚杆；901、第一波纹管；902、第二波纹管；10、岩石。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明的一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构，包括设置在岩壁10表面的岩梁基座1，所述岩梁基座1的岩面为斜坡面，其特征是，岩梁基座1的岩面设置混凝土岩壁梁2、上附壁墙3和下附壁墙4，所述上附壁墙3、混凝土岩壁梁2和下附壁墙4自上而下与土岩壁梁2的岩面紧密接触不预留结构缝且整体浇筑，混凝土岩壁梁2设有插入岩壁10内的两根普通受拉锚杆5、一根第一高强预应力锚杆601和受压普通锚杆7，上附壁墙3设有一根插入岩壁10内的第二高强预应力锚杆602，下附壁墙4设有两根插入岩壁10内的普通锚杆8。

所述受拉普通锚杆5一端插入混凝土岩壁梁2，另一端向上倾斜穿过岩梁基座1插入岩壁10内；第一高强预应力锚杆601一端插入混凝土岩壁梁2，另一端水平穿过岩梁基座1插入岩壁10内；所述受压普通锚杆7一端插入混凝土岩壁梁2，另一端向下倾斜穿过岩梁基座1插入岩壁10内。

所述混凝土岩壁梁2内预设有第一波纹管901，所述第一波纹管901水平贯穿混凝土岩壁梁2，第一高强预应力锚杆601一端插入所述第一波纹管901内，另一端水平穿过岩梁基座1插入岩壁10内。

所述上附壁墙3内预设有第二波纹管902，所述第二波纹管902水平贯穿上附壁墙3，第二高强预应力锚杆602一端插入所述第二波纹管902内，另一端水平穿过岩梁基座1插入岩壁10内。

所述普通锚杆8一端插入下附壁墙4，另一端水平穿过岩梁基座1插入岩壁10内。

本方案的设计原理在于：采用高强预应力锚杆，提供预应力保证混凝土岩壁梁紧贴岩面；采用高强预应力锚杆，其提供的预应力应保证混凝土岩壁梁、上附壁墙和下附壁墙与岩面之间全部受压；高强预应力锚杆的预应力，通过假定桥机最大轮压以集中荷载形式直接作用在高强预应力锚杆上计算确定；高强预应力锚杆的间距，通过假定桥机最大轮压以一定扩散角的形式等效为线荷载计算确定，荷载等效方法见《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》(nb/t35079-2016)内“4.1荷载”篇章；在承担桥机荷载工况时，忽略所有普通锚杆和岩梁基座的作用，作为安全裕度；在高强预应力锚杆施加预应力之前，普通锚杆应能保证混凝土岩壁梁、上附壁墙和下附壁墙的稳定；高强预应力锚杆的直径、屈服能力以及锚固长度应通过验证杆体承载力、杆体与灌浆体间剪切力、灌浆体与钻孔间的剪切力计算确定；

本发明同时提供一种软弱围岩地下洞室的岩壁吊车梁结构的施工方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在岩壁10表面施工岩梁基座1，并完成普通受拉锚杆5、受压普通锚杆7、普通锚杆8的钻孔、锚入岩壁10和注浆工作；

步骤2，在岩壁10上完成第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602的钻孔，对第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602的锚固段进行注浆；

步骤3，立模并绑扎混凝土岩壁梁2、上附壁墙3、下附壁墙4的钢筋，同时在混凝土内部预留第一波纹管901和第二波纹管902；

步骤4，浇筑混凝土岩壁梁2、上附壁墙3、下附壁墙4；

步骤5，待混凝土岩壁梁2、上附壁墙3、下附壁墙4达到设计强度后，允许开挖下一层；在下一层开挖过程中，安装第一高强预应力锚杆(601)和第二高强预应力锚杆(602)的垫板，采用千斤顶或扭力扳手将第一高强预应力锚杆(601)和第二高强预应力锚杆(602)张拉至设计力，再安装螺母锁定，对第一高强预应力锚杆(601)和第二高强预应力锚杆(602)的自由段进行灌浆并对锚头进行防腐处理。

所述吊车梁结构的设计参数计算方法不考虑普通受拉锚杆5、第一高强预应力锚杆601、第二高强预应力锚杆602和普通锚杆8的作用，不考虑岩梁基座1的作用，并包括以下步骤：

步骤101，求解第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602的预应力：假定桥机最大轮压以集中荷载形式直接作用在第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602上，作为最不利工况，将作用在混凝土岩壁梁2、上附壁墙3、下附壁墙4上的外力，以混凝土岩壁梁2、上附壁墙3、下附壁墙4总高度的中心点为基准，等效为综合弯矩和水平合力；求解围岩反力分布，并通过调整高第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602位置和预应力大小，保证混凝土岩壁梁2、上附壁墙3和下附壁墙4与岩梁基座1的岩面之间全部受压；

步骤102，求解第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602的间距：桥机最大轮压以一定扩散角的形式等效为线荷载，荷载等效方法见《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》内“4.1荷载”篇章，求解围岩反力分布，并通过调整第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602间距或预应力大小，保证混凝土岩壁梁2、上附壁墙3和下附壁墙4与岩梁基座1的岩面之间全部受压；

步骤103，求解普通受拉锚杆5的承载力和间距：在第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602施加预应力之前，普通受拉锚杆5仅承受结构自重，应能保证混凝土岩壁梁2、上附壁墙3和下附壁墙4的稳定，普通受拉锚杆5的计算方法，根据《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》内“4.3结构计算”篇章；

步骤104，第一高强预应力锚杆601和第二高强预应力锚杆602的直径、屈服能力以及锚固长度应通过验证杆体承载力、杆体与灌浆体间剪切力、灌浆体与钻孔间的剪切力计算确定：对于国际工程，可以根据《codeofpracticeforgroutedanchors》内“11anchordesign”章节确定；对于国内工程，可以根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》内“4.6设计”篇章确定。

本发明的有益效果是：(1)高强预应力锚杆保障混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙与岩面间，在桥机荷载作用时完全受压，从而避免混凝土岩壁梁的侧向位移对桥机运行的影响；(2)高强预应力锚杆保障混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙与岩面间，在桥机荷载作用时完全受压，提升了混凝土与岩面间粘聚力的可靠性以及摩擦力，进一步增加了混凝土岩壁梁的稳定性；(3)由于模板拆除后，混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙由普通锚杆与围岩固定，因此高强预应力锚杆允许在下一层开挖期间施加预应力；(4)高强预应力锚杆在下一层开挖期间实施张拉，不占用直线工期，保障了岩壁吊车梁提前投运的优势；(5)混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙的运行期稳定主要依靠高强预应力锚杆，普通锚杆仅需满足自重作用下的稳定，因此普通锚杆的间距可适当增大，减小了施工难度；(6)混凝土岩壁梁、上附壁墙、下附壁墙的运行期稳定主要依靠高强预应力锚杆，因此可以适应较低岩梁基座的成型质量，提高了本发明的适应性；(7)常规岩壁梁不可避免地要对超挖进行处理，本发明采用了通长下附壁墙，兼顾超挖处理的需要；(8)本发明岩壁梁结构特征、设计原理和施工步序已经经过国外工程师审查通过，并成功应用于国外某地下工程，具有一定的国际适用性。