岩壁上吊车梁锚杆的设计方案

岩壁吊车梁是最近几年发展起来的一种特殊结构型式。水电站地下厂房在满足运行条件的同时，减少开挖跨度，采用岩壁吊车梁是一项有效的措施。其优点是利用岩壁的部分承载能力，通过锚杆将吊车梁锚固在岩壁上，不仅节省吊车柱，使跨度减少，而且吊车梁可以早期投入运用，加快厂房开挖及机组安装进度。正是由于它有这么多优点，因而在我国的鲁布革、东风、广蓄、太平驿、天荒坪、二滩、小浪底和回龙抽水蓄能等电站的地下厂房中都采用了这种结构型式。该型式大都是先把岩壁使其达到较大的稳定程度之后，再在吊车梁体内为了梁体稳定而布设相应锚杆。实际上岩壁与梁体是一个共同体，若岩壁不稳定将殃及梁体也不稳定。因此，二者应统一考虑。目前，梁体内的锚杆布设已大体格式化，这种格式的定局，并没有考虑锚杆会不会造成对岩壁稳定性构成威胁。为解决这一问题，必须先研究现行吊车梁锚杆设计中有没有可以变动的因素，也就是说有没有范围变化可供选值，这个合适的选取，既对岩壁加固有利，也对吊车梁体稳定有利。现作如下分析。

1.用极限平衡法设计吊车梁锚杆

目前，上述各水电站厂房的岩壁吊车梁结构型式几乎是相似的（图9-6）。它们的锚杆设计是按极限平衡方法进行的（图9-7）。

（1）垂直壁锚杆受力分析。图9-7中使用的符号含义如下：

Fvs——吊车梁竖向荷载（包括轮压、梁体自重）；

Fhs——吊车梁水平荷载；

γ——tan-1+Fh s/Fvs；

α——岩体斜壁与垂直方向夹角；

图9-6　岩壁吊车梁结构图

图9-7　垂直壁锚杆受力分析图

β—— 锚杆倾角、仰角；

φ——岩体内摩角；

——合力形成的正应力，

——合力形成的下滑力

——合力形成的阻滑力

——锚杆受力；

——锚杆受力F 所形成的在斜壁上的正应力，

——锚杆正应力在斜壁上所形成的阻滑力tanφ；

——锚杆在滑动面上所形的阻滑力负值，= Fcos（90°-β-α）。

如果梁体处于极限平衡状况，则所受合力等于零。即：

由公式（9-8）先求出锚杆所受合力，然后再求出各根锚杆的受力情况。

（2）斜壁仰角锚杆受力分析。除了由图9-7 所示的合力所形成的下滑力与阻滑力以外，把垂直壁锚杆改变成斜壁锚杆（图9-8）。图中AB 为斜壁，锚杆受力的图所示，其他符号如图9-7所示。

如前所述，

该式与式（9-8）相同。

（3）斜壁倾斜锚杆受力分析。在岩体斜壁上打支撑吊车梁的锚杆，它的方向有仰向与倾向之分。公式（9-8）适合于仰向锚杆的受力计算，而它并不符合倾向锚杆的受力计算。

图9-8　斜壁锚杆受力分析图(www.xing528.com)

图9-9　斜壁倾角锚杆受力分析图

图9-9中所示的AB为岩壁吊车梁的斜壁；F 为受力锚杆。其他各个符号的含义如前所示。

在直角三角ABC中：

令合力等于零，则为：

2.用力矢多边形法设计吊车梁锚杆

图9-10中的符号及其意义如图9-7所示。由图9-10所示的各种角度，按正弦定律可得：

图9-10　力矢多边形法

公式（9-12）与公式（9-8）的含义完全一样，都可应用于斜壁仰角锚杆的受力计算。

3.对垂直壁、斜壁锚杆受力情况分析

对锚杆加固在垂直岩壁上为好，还是加固在斜壁上为好，锚杆仰角或倾角究竟有没有最佳角度，过去尚未有人研究过，也未见过有关的研究报道。以下我们将分别予以讨论。

（1）锚杆加固在垂直岩壁上时α角大小的影响。锚杆受力的大小与γ、φ、β及α角的变化有关。其中γ与外部荷载有关，一般不可能有大的变化，大都在5°左右。φ值与岩体质量有关，不是随人意而可以调整的。β角的变化与锚固件的方位、仰倾角的变化有关，拟在（2）部分中详细讨论。下面将研究α角怎么调整，才使F值不会太大。

设γ=5°，φ=30°，β=25°，=500kN时，对α=0°～90°的各个角度进行计算，成果列表9-1予以说明。

（2）锚杆加固在斜岩壁上时α角大小的影响。无论锚杆加固在垂直岩壁上或在斜壁上，只要γ、φ角不变，锚杆受力状况与α、β有关，而与其他因素无关。因此本节推导的公式（9-8）与式（9-9）是完全一样的，因而计算出的锚杆受力F值也完全是一样的（表9-1）。

表9-1　岩壁座角度（α）与支锚杆受力（F）关系

从表9-1所列计算成果可以看出：

1）α角由小到大，90-α岩壁倾角由陡到缓，锚杆受力F值由大变小，也即是说，要想使锚杆受力小些，就应把岩壁坡度（倾角）放缓一些；

2）如果把α角变大到65°，即倾角放缓到25°，锚杆受力F值等于零，也就是说，岩壁吊车梁无须再用锚杆予以加固；

3）若把α角设计成大于65°，随着α角逐渐加大，则剩余阻滑力也逐渐增大。也就是说，如果使吊车梁保持平衡状态，最缓的岩壁只要有25°倾角就可以了。

（3）锚杆仰倾角的大小对锚杆受力状况的影响。通过大量锚杆受力状况的分析发现，无论把锚杆设置在垂直岩壁上或倾斜岩壁上，若锚杆的方位不同（主要是仰、倾角的不同），其受力情况是不一样的。对于锚杆处于仰角情况，可用公式（9-8）进行锚杆受力分析；对于锚杆处于倾角情况，可用公式（9-10）进行锚杆受分析。

表9-2　支撑吊车梁的锚杆角度（α、β）与锚杆受力（F）计算成果

由表9-2所列计处成果可以看出：

1）锚杆受力状况的总趋势是，它与锚杆倾仰角的大小有关，但并不是文献上介绍的那样，“仰角β值越大，锚杆受力越小”。而只反映了锚杆处于倾角状况时，其锚杆的受力状况没有锚杆处于仰角状况时为好。

2）锚杆仰角在0°～60°之间，锚杆受力状况没有大的差别；锚杆倾角在60°以下时，受力状况渐好，但总的来看，仰角在20°的锚杆受力最小。

3）岩壁吊车梁内下部受压锚杆，用常规方法多设计成倾角（向）锚杆，由（表9-2）表明，锚杆倾角愈陡，锚杆受力愈大，因此应尽可使其倾角小一些。

通过上述分析得出的上述3条结论是非常重要的，并由此可以得出，我们可以在这个较大范围内（仰角）可以选择洞室围岩的随机锚杆或系统锚杆的锚固角；同时还可以更合理地选择下部锚杆的布置倾角。