王 芳，周 飛，于 磊

（中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

1 引言

地下廠房巖壁吊車梁具有減少地下廠房洞室開挖跨度、節(jié)省開挖和頂拱支護(hù)工程量、提前安裝和使用橋機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于我國水電工程地下廠房的設(shè)計(jì)和施工中。梅州抽水蓄能地下廠房，主廠房洞室規(guī)模巨大，頂拱最大開挖跨度達(dá)28.30 m，將減小主廠房開挖跨度作為主要因素來考慮，最大可能減少開挖跨度，對(duì)地下廠房安全及穩(wěn)定，有重要意義。

2 工程地質(zhì)條件

地下廠房巖性為中粒黑云母花崗巖，廠房頂拱上覆巖體厚330 m左右。廠區(qū)巖體完整性好，洞室圍巖新鮮，鉆孔平均RQD值大于75%；鉆孔聲波速Vp為5 560 m/s～6 450 m/s，屬完整巖體；巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于70 MPa，屬于堅(jiān)硬巖類?？碧狡蕉磸S房支洞共揭露小型斷層2條、巖脈24條，巖脈主要有2組：①80°～90°/SE～S∠80°～85°；②280°～310°/SW或NE∠75°～85°。閃長巖脈寬度0.05 m～1.4 m不等，大部分與兩側(cè)花崗巖接觸緊密，少部分接觸面夾有0.2 cm～1 cm寬的泥質(zhì)物。斷層破碎帶寬0.4 m～0.6 m，帶內(nèi)巖石破碎夾泥，膠結(jié)差或未膠結(jié)，有少量滲水；最發(fā)育的節(jié)理主要有以下2組：①E/S或N∠75°～90°；②310°～320°/SW或NE∠80°～85°。節(jié)理等結(jié)構(gòu)面輕度發(fā)育，閉合，長度較小。巖脈與節(jié)理等不利構(gòu)造均為陡傾角。

3 巖壁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 巖壁梁荷載

梅蓄地下廠房巖壁吊車梁跨度為25 m，最大設(shè)計(jì)豎向輪壓為838 kN，吊車單側(cè)輪數(shù)為8個(gè)。巖錨懸臂吊車梁高度為2.8 m，寬度為2.15 m ，單邊長度為170.15 m，其設(shè)計(jì)尺寸及噸位均位于國內(nèi)前列。橋式起重機(jī)輪壓分布見圖1[1]。

圖1 單臺(tái)橋機(jī)一側(cè)作用8個(gè)輪子時(shí)計(jì)算簡圖

3.2 巖壁梁吊車輪壓分布系數(shù)方法比較

將巖壁梁吊車輪壓的集中荷載換算成均布荷載，確定輪壓分布范圍，即確定吊車的輪壓分布系數(shù)，本文對(duì)如下幾種方法進(jìn)行了計(jì)算比較，詳見表1。

表1 輪壓分布系數(shù)表

從以上計(jì)算結(jié)果可知，采用彈性地基梁法、應(yīng)力重疊法和參考龍灘仿真材料模型實(shí)驗(yàn)方法的計(jì)算結(jié)果相近，采用這3種方法比較合適。且仿真材料模型試驗(yàn)法可以清晰而直觀地展示整個(gè)結(jié)構(gòu)從受力到破壞的全部過程，能較真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況，能預(yù)計(jì)和原結(jié)構(gòu)相似的開裂性能、破壞形態(tài)和極限承載力，以及原結(jié)構(gòu)在各級(jí)荷載直至破壞荷載甚至極限變形時(shí)的性能，是彈性地基梁法、應(yīng)力重疊法無法比擬的，且計(jì)算結(jié)果適中，采用此法能客觀地反映巖壁吊車梁在輪壓作用下的真實(shí)受力情況。

3.3 巖壁吊車梁承載力極限設(shè)計(jì)

根據(jù)NB/T 35079-2016《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，巖壁吊車梁的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別應(yīng)與廠房建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別相同。巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法、按分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。

巖壁吊車梁結(jié)構(gòu)按照承載能力極限進(jìn)行設(shè)計(jì)，基本組合包括設(shè)計(jì)狀況、持久狀況和短暫工況下，永久作用和可變作用的組合。組合一～三分別考慮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面、允許超挖挖斷面和允許巖壁角變化開挖斷面。將各工況下單位梁長巖壁吊車梁受拉錨桿截面面積計(jì)算表見表2、表3。

表2 各工況下單位梁長巖壁吊車梁受拉錨桿截面面積計(jì)算表

表3 巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算計(jì)算表

根據(jù)承載力極限設(shè)計(jì)，當(dāng)巖壁為Ⅱ、Ⅲ類圍巖時(shí)，各工況組合下巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。當(dāng)巖壁為Ⅳ類圍巖時(shí)，部分工況組合下巖壁吊車梁與巖壁結(jié)合面的抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，梅蓄工程采用在軟弱夾層和巖石破碎等部位采用增加扶壁柱等加強(qiáng)措施，在已建向家壩、瓊中抽蓄和溧陽抽蓄等地下廠房巖壁吊車梁中，當(dāng)巖壁為Ⅳ類圍巖時(shí)，均采用此加強(qiáng)措施，目前上述所列工程運(yùn)行安全，效果良好。

3.4 巖壁梁有限元模擬仿真計(jì)算

在有限元[4，5]本構(gòu)仿真方面，本次計(jì)算采用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[6]?；炷恋踯嚵簭椥阅Ａ緾30為30.0GPa，泊松比取0.167，錨桿彈性模量取200.0 GPa，錨桿采用2節(jié)點(diǎn)的桿單元。在模型上下邊界面及非臨空面邊界施加固定約束。圍巖地質(zhì)計(jì)算參數(shù)詳見表4。

表4 地下廠房巖力學(xué)計(jì)算參數(shù)建議值

采用平面彈塑性有限元仿真模擬計(jì)算梅州抽蓄地下廠房巖壁梁錨桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，詳見表5。參考梅蓄地下廠房巖壁吊車梁橋機(jī)荷載試驗(yàn)檢測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析，說明有限元計(jì)算得到的錨桿應(yīng)力結(jié)果較接近實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，平面彈塑性有限元仿真模擬計(jì)算結(jié)果可以作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖2 巖壁梁標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)斷面

表5 巖壁梁錨桿應(yīng)力

4 總結(jié)

（1）根據(jù)上文計(jì)算分析，可以看出，按承載能力極限進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，巖壁梁受拉錨桿所受應(yīng)力均超過180 MPa，與平面有限元和巖壁梁荷載實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)值相差較大。而對(duì)于有限元計(jì)算方法，較真實(shí)地模擬了吊車梁荷載情況，計(jì)算結(jié)果較接近實(shí)測(cè)結(jié)果。通過計(jì)算可以看出，有限元模擬計(jì)算巖壁梁結(jié)構(gòu)較剛體平衡法更具有可靠度。另外，有限元模擬計(jì)算可以進(jìn)一步優(yōu)化巖壁吊車梁斷面尺寸和巖壁吊車梁錨桿參數(shù)以及完成梁體配筋設(shè)計(jì)。

（2）在后續(xù)研究中，進(jìn)一步分析圍巖與巖壁吊車梁粘結(jié)層的力學(xué)性能對(duì)巖壁吊車梁整體抗滑穩(wěn)定性和系統(tǒng)錨桿的軸向應(yīng)力影響，以得到更接近工程實(shí)際的巖壁梁計(jì)算模型，為巖壁吊車梁的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。