一种地下洞室挂顶混凝土结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种地下洞室挂顶混凝土结构，包括挂顶混凝土；所述挂顶混凝土的两拱肩部位未设置拱座，而是安装有拱肩预应力锚杆；所述拱肩预应力锚杆插入洞室的围岩形成稳固结构。本发明同时提供一种地下洞室挂顶混凝土结构，本发明能够有效保证挂顶混凝土的施工效果、简化施工，大大提高了施工效率。本发明的检测数据可知（详见下面的实施例和附图），本发明的结构稳固性是十分可靠的，打破了以往行业内认为挂顶混凝土结构只能用拱座支撑才可靠的技术偏见。
【专利说明】一种地下洞室挂顶混凝土结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及水力建筑工程，特别涉及一种地下洞室挂顶混凝土结构。
【背景技术】
[0002]挂顶混凝土(即顶拱混凝土衬砌)适用于以下开挖情况的地下洞室:1.地下洞室结构高度大，衬砌混凝土如果采取先挖后衬的方案，需要在开挖完成后搭建很高的满堂承重排架进行，不仅施工难度大，施工期存在安全隐患，工期也相对较长。为降低后期混凝土衬砌施工难度，在地下洞室第一层开挖后即进行挂顶混凝土的衬砌施工；2.地下洞室围岩条件差，在地下洞室第一层开挖后即施工挂顶混凝土的衬砌，以保证后期开挖施工时的围岩稳定和施工安全。
[0003]以往挂顶混凝土的技术方案(见附图1)，需要在挂顶混凝土 2的两拱肩预留拱座4，拱座4类似一个卡舌，将挂顶混凝土 2的应力传递至洞室围岩。这种方案设计存在以下冋题:
1)预留的拱座开挖成形困难，即使精心施工也难免出现大范围超挖甚至拱座悬空的情况，此时反而削减了挂顶混凝土的承载能力，恶化了结构安全；
2)两拱肩预留拱座的挂顶混凝土，在完成地下洞室全断面衬砌后，由于预留拱座回填的混凝土结构尺寸大、刚度大，易在该部位产生较大的应力集中，改变了地下洞室混凝土衬砲结构承载的完整性；
但是，在洞室衬砌混凝土尺寸较大，挂顶混凝土的自重大时，如果不设计拱座结构进行稳固的话，混凝土维持其自身稳定非常困难，容易引发事故；因此，上述带有较大缺陷的拱座设计仍然得到了广泛使用，水利行业技术人员出于技术成熟性的考虑，一般都不会采用其他“不可靠”的方案，行业内存在一定的思维惯性和技术偏见。
【发明内容】
[0004]基于现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种无拱座、采用预应力锚杆加固两侧拱肩的挂顶混凝土技术方案，保证无拱座的情况下挂顶混凝土在围岩压力和自重应力下的安全。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种地下洞室挂顶混凝土结构，包括挂顶混凝土 ；所述挂顶混凝土的两拱肩部位未设置拱座，而是安装有拱肩预应力锚杆；所述拱肩预应力锚杆插入洞室的围岩形成稳固结构。
[0006]预应力锚杆参数按照下述方法确定:按照隧洞设定的分层开挖情况，采用通用有限元计算程序(ANSYS、ABAQUS等)，计算在山岩压力、爆破震动情况下挂顶混凝土在施工过程和洞室开挖过程期间的稳定应力状况，根据计算的拱肩部位的拉应力和剪应力的大小，确定每米挂顶混凝土结构在拱肩所需要的加固预应力，从而确定选用的预应力锚杆的根数、排距和每根锚杆的预应力值。根据隧洞围岩的地质情况确定锚杆的锚固端位置，从而确定预应力锚杆的长度。结合上述确定的预应力锚杆的预应力值和长度，确定所选预应力锚杆的直径大小。
[0007]上述拱肩预应力锚杆为多排，排距为l~2m。
[0008]上述拱肩预应力锚杆的长度为4.5~9m。
[0009]上述拱肩预应力锚杆的直径为18~40mmo
[0010]上述拱肩预应力锚杆每根后期预应力为40~150KN。
[0011 ] 上述拱肩预应力锚杆为HRB335级或HRB400级螺纹钢筋制作。
[0012]本发明通过预应力方式使得衬砌拱肩与围岩紧密结合，将挂顶混凝土的应力传递至洞室围岩。随着洞室的开挖下卧，围岩边墙水平向变形增加，使得挂顶混凝土两侧拱脚混凝土与边墙围岩进一步结合紧密，两者之间的摩擦力进一步增加，挂顶混凝土的施工效果得到可靠保证。
[0013]本发明能够有效保证挂顶混凝土的施工效果、简化施工，大大提高了施工效率。而且从本发明的检测数据可知(详见下面的实施例和附图)，本发明的结构稳固性是十分可靠的，打破了以往行业内认为挂顶混凝土结构只能用拱座支撑才可靠的技术偏见。
[0014]下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0016]图1是现有技术带拱座的挂顶混凝土结构剖面图；
图2是本发明不带拱座的挂顶混凝土结构剖面图；
图3是本发明挂顶混凝土结构典型监测断面图；
图4为本发明实施例中多点位移计M4a7-2的位移-时间曲线图；
图5为本发明实施例中多点位移计M4b7-2的位移-时间曲线图；
图6为本发明实施例中多点位移计M4a7-3的位移-时间曲线图；
图7为本发明实施例中多点位移计M4b7-3的位移-时间曲线图；
图8为本发明实施例中顶拱测缝计Ja7-1的开合度-温度曲线图；
图9为本发明实施例中顶拱测缝计Jb7-1的开合度-温度曲线图；
图10为本发明实施例中钢筋计应力-时间曲线图；
图11为本发明实施例中锚索计应力-时间曲线图。
[0017]图1-11中附图标记的对应关系为:
I—洞室；
2挂顶混凝土；
3---洞室后期饶筑衬砌混凝土；
4拱座；
5拱肩预应力锚杆；
6—尾水洞上部排水洞；
7左拱肩多点位移计M4a7-2 (①尾水洞)、M4b7_2 (②尾水洞)；
8右拱肩多点位移计M4a7-3 (①尾水洞)、M4b7_3 (②尾水洞)； 9顶拱测缝计Ja7-1 (①尾水洞)、Jb7-l (②尾水洞)；
10左拱肩锚索测力计D a7P-l ；
11右拱肩锚索测力计D a7P-2 ；
12左拱肩钢筋计R a7-3 ；
13---顶拱钢筋计R a7_4 ；
14右拱肩钢筋计R a7-5?
【具体实施方式】
[0018]需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
[0019]如图2所示，一种地下洞室挂顶混凝土结构，包括挂顶混凝土2 ;所述挂顶混凝土2的两拱肩处未设置拱座4，而是安装有拱肩预应力锚杆5 ;所述拱肩预应力锚杆5插入洞室I的围岩形成稳固结构。
[0020]本实施例为某西部水电站工程。该工程装机8台800MW的巨型机组，其右岸地下电站装机4台，机组额定水头100.0m，单机额定引用流量为890m3/s，引水系统采用I洞I机布置，尾水系统采用2机I洞的布置方式。该地下电站2条尾水隧洞长度为310m和370m，尾水隧洞的衬砌厚度为l~2m，洞室开挖最大尺寸为24.4mX 38.4m (宽X高)，开挖尺寸大，边墙高，围岩地质条件复杂，开挖过程中围岩稳定控制难度大，衬砌难度大，施工安全风险大。为降低后期混凝土衬砌施工难度，保障尾水隧洞的开挖施工安全，施工时采用本技术方案，在尾水洞洞室第一层开挖后即进行了无拱座挂顶混凝土的衬砌施工。
[0021]采用大型通用有限元计算软件ABAQUS建立计算模型进行计算分析，在自重和山岩压力作用下，无拱座挂顶混凝土拱肩两侧下部为压剪受力，应力较小，拱顶的径向拉应力为0.0848MPa~0.2172MPa，折算每米挂顶混凝土结构在两侧拱肩共需470KN加固力，确定两侧拱肩径向各选用2根预应力锚杆，水平向各布置I根预应力锚杆锁定，每根锚杆的预应力值为100KN，排距均为lm，可以提供加固力为600KN。由于尾水隧洞围岩裂隙较发育，预应力锚杆的锚固端(长2m)位于的完整稳定岩体距离开挖面5~7m，确定锚杆的长度为9m，结合上述确定的锚杆的预应力值(100KN)和长度(9m)，确定预应力锚杆大小直径为32mm较为合适。预应力锚杆采用HRB335级螺纹钢筋制作。最终设计参数为:两侧拱肩各设置3根长9m、预应力值为100KN的预应力锚杆，对挂顶混凝土每侧拱肩部位共施加300KN预应力压力。
[0022]为检测这种无拱座挂顶混凝土方案的实际运行效果，在平行的两个尾水洞①和②布置了多个监测断面，对挂顶混凝土部位进行了连续监测。
[0023]该水电站尾水隧洞2008年开始1#、2#洞第一层的开挖和挂顶混凝土施工，2010年完成洞室的下卧开挖，2012年完成洞室边墙和底板的混凝土施工，同年10月下闸蓄水。典型断面(见图3)在此期间的监测数据整理如下。
[0024]注:①尾水洞中的左拱肩多点位移计7的编号为M4a7_2，右拱肩多点位移计8的编号为M4a7-3，顶拱测缝计9的编号为Ja7_l。
[0025]②尾水洞中的左拱肩多点位移计7的编号为M4b7_2，右拱肩多点位移计8的编号为M4b7-3，顶拱测缝计9的编号为Jb7-1。
[0026]1、多点位移数据(如图4、5、6、7所示)
技术人员为监测拱肩围岩变形情况布置了多点位移计。从左拱肩多点位移计M4a7_2(①尾水洞)、M4b7—2 (②尾水洞)和右拱肩多点位移计M4a7—3 (①尾水洞)、M4b7—3 (②尾水洞)的数据变化可以看出，挂顶混凝土施工后，拱肩围岩稳定，结构安全。
[0027]2、测缝计(如图8、9所示)
技术人员为监测挂顶混凝土与围岩之间的变形情况布置了测缝计。从两条尾水主洞顶部的两支测缝计(Ja7-l、Jb7_l)测值过程线来看，自埋设后测值变化均不大，挂顶混凝土施工后，挂顶混凝土和围岩均运行稳定，结构安全。
[0028]3、钢筋计(如图10所示)
技术人员为监测挂顶混凝土的受力情况布置了钢筋计。从三支钢筋计的过程线图来看，各支钢筋计测值较小且稳定。2012年底，机组发电充水、尾水洞承载，测值产生了突变，属于正常现象。挂顶混凝土施工后运行稳定，结构安全。
[0029]5、锚索测力计(如图11所示)
技术人员为监测挂顶混凝土上部围岩稳定情况布置了锚索测力计。从锚索测力计来看，变化基本稳定。挂顶混凝土施工后运行稳定，上部围岩稳定安全。
[0030]通过在挂顶混凝土施工、运行的3年多时间里对衬砌钢筋应力、围岩的应变与开合度等指标的监测，挂顶混凝土施工后，挂顶混凝土和围岩均运行稳定，结构安全。采用无拱座挂顶混凝土的技术方案不仅有效保证了该大型尾水隧洞下卧开挖阶段的施工安全，而且减小了后期洞室衬砌混凝土的施工难度，降低了工程风险和工程费用。
[0031]本发明具有效果好、结构简单、效率高等优点，具有较好的推广价值。
[0032]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种地下洞室挂顶混凝土结构，包括挂顶混凝土(2);其特征在于:所述挂顶混凝土(2)的两拱肩部位未设置拱座(4)，而是安装有拱肩预应力锚杆(5);所述拱肩预应力锚杆(5 )插入洞室(I)的围岩形成稳固结构。
2.根据权利要求1所述的地下洞室挂顶混凝土结构，其特征在于所述锚杆的分布和规格是通过如下过程确定的:采用通用有限元计算程序，计算在山岩压力、爆破震动情况下挂顶混凝土在施工过程和洞室开挖过程期间的稳定应力状况，根据计算的拱肩部位的拉应力和剪应力的大小，确定每米挂顶混凝土结构在拱肩所需要的加固预应力，从而确定选用的预应力锚杆的根数、排距和每根锚杆的预应力值；根据隧洞围岩的地质情况确定锚杆的锚固端位置，从而确定预应力锚杆的长度；结合上述确定的预应力锚杆的预应力值和长度，确定所选预应力锚杆的直径大小。
3.根据权利要求1或2所述的地下洞室挂顶混凝土结构，其特征在于:所述拱肩预应力销杆(5)为多排，排距为l~2m。
4.根据权利要求1或2所述的地下洞室挂顶混凝土结构，其特征在于:所述拱肩预应力销杆(5)的长度为4.5~9m。
5.根据权利要求1或2所述的地下洞室挂顶混凝土结构，其特征在于:所述拱肩预应力锚杆(5)的直径为18~40mmo
6.根据权利要求1或2所述的地下洞室挂顶混凝土结构，其特征在于:所述拱肩预应力锚杆(5)每根的后期预应力为40~150KN。
【文档编号】E21D11/10GK104453950SQ201410831995
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月29日 优先权日:2014年12月29日
【发明者】辜晓原, 许莉, 刘益勇, 覃玉兰, 王毅 申请人:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司