一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，包括掛頂混凝土；所述掛頂混凝土的兩拱肩部位未設(shè)置拱座，而是安裝有拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿；所述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿插入洞室的圍巖形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。本發(fā)明同時提供一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，本發(fā)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(fā)明的檢測數(shù)據(jù)可知（詳見下面的實施例和附圖），本發(fā)明的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性是十分可靠的，打破了以往行業(yè)內(nèi)認(rèn)為掛頂混凝土結(jié)構(gòu)只能用拱座支撐才可靠的技術(shù)偏見。
【專利說明】一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)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(wěn)定和施工安全。
[0003]以往掛頂混凝土的技術(shù)方案(見附圖1)，需要在掛頂混凝土 2的兩拱肩預(yù)留拱座4，拱座4類似一個卡舌，將掛頂混凝土 2的應(yīng)力傳遞至洞室圍巖。這種方案設(shè)計存在以下冋題:
1)預(yù)留的拱座開挖成形困難，即使精心施工也難免出現(xiàn)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(jié)構(gòu)安全；
2)兩拱肩預(yù)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(yù)留拱座回填的混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大、剛度大，易在該部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，改變了地下洞室混凝土襯砲結(jié)構(gòu)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(shè)計拱座結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)固的話，混凝土維持其自身穩(wěn)定非常困難，容易引發(fā)事故；因此，上述帶有較大缺陷的拱座設(shè)計仍然得到了廣泛使用，水利行業(yè)技術(shù)人員出于技術(shù)成熟性的考慮，一般都不會采用其他“不可靠”的方案，行業(yè)內(nèi)存在一定的思維慣性和技術(shù)偏見。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的問題是提供一種無拱座、采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固兩側(cè)拱肩的掛頂混凝土技術(shù)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(yīng)力下的安全。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，包括掛頂混凝土 ；所述掛頂混凝土的兩拱肩部位未設(shè)置拱座，而是安裝有拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿；所述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿插入洞室的圍巖形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。
[0006]預(yù)應(yīng)力錨桿參數(shù)按照下述方法確定:按照隧洞設(shè)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(wěn)定應(yīng)力狀況，根據(jù)計算的拱肩部位的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小，確定每米掛頂混凝土結(jié)構(gòu)在拱肩所需要的加固預(yù)應(yīng)力，從而確定選用的預(yù)應(yīng)力錨桿的根數(shù)、排距和每根錨桿的預(yù)應(yīng)力值。根據(jù)隧洞圍巖的地質(zhì)情況確定錨桿的錨固端位置，從而確定預(yù)應(yīng)力錨桿的長度。結(jié)合上述確定的預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力值和長度，確定所選預(yù)應(yīng)力錨桿的直徑大小。
[0007]上述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿為多排，排距為l~2m。
[0008]上述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿的長度為4.5~9m。
[0009]上述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿的直徑為18~40mmo
[0010]上述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿每根后期預(yù)應(yīng)力為40~150KN。
[0011 ] 上述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿為HRB335級或HRB400級螺紋鋼筋制作。
[0012]本發(fā)明通過預(yù)應(yīng)力方式使得襯砌拱肩與圍巖緊密結(jié)合，將掛頂混凝土的應(yīng)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(cè)拱腳混凝土與邊墻圍巖進(jìn)一步結(jié)合緊密，兩者之間的摩擦力進(jìn)一步增加，掛頂混凝土的施工效果得到可靠保證。
[0013]本發(fā)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(fā)明的檢測數(shù)據(jù)可知(詳見下面的實施例和附圖)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性是十分可靠的，打破了以往行業(yè)內(nèi)認(rèn)為掛頂混凝土結(jié)構(gòu)只能用拱座支撐才可靠的技術(shù)偏見。
[0014]下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，其作為本說明書的一部分，通過實施例來說明本發(fā)明的原理，本發(fā)明的其他方面、特征及其優(yōu)點通過該詳細(xì)說明將會變得一目了然。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0016]圖1是現(xiàn)有技術(shù)帶拱座的掛頂混凝土結(jié)構(gòu)剖面圖；
圖2是本發(fā)明不帶拱座的掛頂混凝土結(jié)構(gòu)剖面圖；
圖3是本發(fā)明掛頂混凝土結(jié)構(gòu)典型監(jiān)測斷面圖；
圖4為本發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)明實施例中鋼筋計應(yīng)力-時間曲線圖；
圖11為本發(fā)明實施例中錨索計應(yīng)力-時間曲線圖。
[0017]圖1-11中附圖標(biāo)記的對應(yīng)關(guān)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(yù)應(yīng)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(fā)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(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。為敘述方便，下文中如出現(xiàn)“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(jié)構(gòu)起限定作用。
[0019]如圖2所示，一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，包括掛頂混凝土2 ;所述掛頂混凝土2的兩拱肩處未設(shè)置拱座4，而是安裝有拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿5 ;所述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿5插入洞室I的圍巖形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。
[0020]本實施例為某西部水電站工程。該工程裝機(jī)8臺800MW的巨型機(jī)組，其右岸地下電站裝機(jī)4臺，機(jī)組額定水頭100.0m，單機(jī)額定引用流量為890m3/s，引水系統(tǒng)采用I洞I機(jī)布置，尾水系統(tǒng)采用2機(jī)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(zhì)條件復(fù)雜，開挖過程中圍巖穩(wěn)定控制難度大，襯砌難度大，施工安全風(fēng)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(shù)方案，在尾水洞洞室第一層開挖后即進(jìn)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(jìn)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(cè)下部為壓剪受力，應(yīng)力較小，拱頂?shù)膹较蚶瓚?yīng)力為0.0848MPa~0.2172MPa，折算每米掛頂混凝土結(jié)構(gòu)在兩側(cè)拱肩共需470KN加固力，確定兩側(cè)拱肩徑向各選用2根預(yù)應(yīng)力錨桿，水平向各布置I根預(yù)應(yīng)力錨桿鎖定，每根錨桿的預(yù)應(yīng)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(fā)育，預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固端(長2m)位于的完整穩(wěn)定巖體距離開挖面5~7m，確定錨桿的長度為9m，結(jié)合上述確定的錨桿的預(yù)應(yīng)力值(100KN)和長度(9m)，確定預(yù)應(yīng)力錨桿大小直徑為32mm較為合適。預(yù)應(yīng)力錨桿采用HRB335級螺紋鋼筋制作。最終設(shè)計參數(shù)為:兩側(cè)拱肩各設(shè)置3根長9m、預(yù)應(yīng)力值為100KN的預(yù)應(yīng)力錨桿，對掛頂混凝土每側(cè)拱肩部位共施加300KN預(yù)應(yīng)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(jiān)測斷面，對掛頂混凝土部位進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)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(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(如圖4、5、6、7所示)
技術(shù)人員為監(jiān)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(shù)據(jù)變化可以看出，掛頂混凝土施工后，拱肩圍巖穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全。
[0027]2、測縫計(如圖8、9所示)
技術(shù)人員為監(jiān)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(shè)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(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全。
[0028]3、鋼筋計(如圖10所示)
技術(shù)人員為監(jiān)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(wěn)定。2012年底，機(jī)組發(fā)電充水、尾水洞承載，測值產(chǎn)生了突變，屬于正?，F(xiàn)象。掛頂混凝土施工后運行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全。
[0029]5、錨索測力計(如圖11所示)
技術(shù)人員為監(jiān)測掛頂混凝土上部圍巖穩(wěn)定情況布置了錨索測力計。從錨索測力計來看，變化基本穩(wěn)定。掛頂混凝土施工后運行穩(wěn)定，上部圍巖穩(wěn)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(yīng)力、圍巖的應(yīng)變與開合度等指標(biāo)的監(jiān)測，掛頂混凝土施工后，掛頂混凝土和圍巖均運行穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全。采用無拱座掛頂混凝土的技術(shù)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(fēng)險和工程費用。
[0031]本發(fā)明具有效果好、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點，具有較好的推廣價值。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，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(shè)置拱座(4)，而是安裝有拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿(5);所述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿(5 )插入洞室(I)的圍巖形成穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，其特征在于所述錨桿的分布和規(guī)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(wěn)定應(yīng)力狀況，根據(jù)計算的拱肩部位的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的大小，確定每米掛頂混凝土結(jié)構(gòu)在拱肩所需要的加固預(yù)應(yīng)力，從而確定選用的預(yù)應(yīng)力錨桿的根數(shù)、排距和每根錨桿的預(yù)應(yīng)力值；根據(jù)隧洞圍巖的地質(zhì)情況確定錨桿的錨固端位置，從而確定預(yù)應(yīng)力錨桿的長度；結(jié)合上述確定的預(yù)應(yīng)力錨桿的預(yù)應(yīng)力值和長度，確定所選預(yù)應(yīng)力錨桿的直徑大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述拱肩預(yù)應(yīng)力銷桿(5)為多排，排距為l~2m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述拱肩預(yù)應(yīng)力銷桿(5)的長度為4.5~9m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿(5)的直徑為18~40mmo
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的地下洞室掛頂混凝土結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述拱肩預(yù)應(yīng)力錨桿(5)每根的后期預(yù)應(yīng)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(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】辜曉原, 許莉, 劉益勇, 覃玉蘭, 王毅 申請人:中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司