《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Cracking characteristics of rock-anchored beam system during construction of underground powerhouse under high in-situ stress and complex rock mass structures: A case study of Yebatan hydropower station
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高应力复杂地质条件下岩锚梁裂纹机理与加固研究，基于冶滩水电站工程案例，通过现场监测与数值模拟揭示岩锚梁裂纹分布规律、力学成因及演化特征，发现裂纹多集中在桩号0+044.91~0+054.31m和0+063.00~0+076.00m区域，最大开度达19.35mm，并存在岩锚梁与结构柱界面处裂纹扩展特性差异，提出结合支挡墙的针对性加固措施。
余培阳|丁秀丽|黄淑玲|朱新浩|秦阳|何建华|张玉婷|韩刚
中国水利部地质力学与工程重点实验室，长江水利科学研究院，武汉430010
摘要
在建设期间，地下电站中岩石锚固梁的安全性和稳定性受到了特别关注，尤其是在高原应力状态和复杂地质条件下；然而，关于此类梁的裂隙行为的研究仍然有限。为了解决这个问题，本研究采用了一种系统的方法，结合了现场调查、监测数据分析和数值模拟，来研究叶巴滩水电站岩石锚固梁系统的裂隙特征。研究结果表明，岩石锚固梁系统出现了多达51条裂隙——这一数量明显高于类似项目中记录的数量。这些裂隙表现出多样的形态特征。较大规模的裂隙主要出现在结构柱以及梁/柱与岩墙的交界处，主要集中在0+044.91米至0+054.31米和0+063.00米至0+076.00米的范围内。此外，靠近裂隙区域的监测数据显示，由于开挖作用，裂隙有逐渐扩展的趋势，其中一些裂隙的最大开口宽度达到了19.35毫米。螺栓应力计测量的应力条件非常复杂，有些仪器显示出了矛盾的应力状态——受拉的岩石锚栓出现了压缩现象，而受压的岩石锚栓却出现了拉伸现象。另外，在开挖面附近，断层表现出开合和剪切滑移变形的特征，但随着深度的增加，其变形模式主要转变为剪切滑移。因此，高原应力下陡倾断层处的局部滑移被认为是岩石锚固梁系统裂隙产生的主要原因，因此在受影响区域增加了扶壁加固措施。
引言
中国西南地区位于印度-欧亚板块碰撞和青藏高原东缘的压缩带的前沿，经历了强烈的地壳缩短、增厚和抬升（Fan等人，2024年；Liu等人，2024年；Liu等人，2024年；Xu等人，2015a年）。该地区的地下电站洞室通常建在深山峡谷中（Chen等人，2025年；Li等人，2024年；Shi等人，2022年）。由于板块汇聚的影响，该地区的原位应力水平普遍较高，特别是在深切的峡谷中，容易产生高甚至极高的原位应力（Xia等人，2024年；Zhang，2013年；Zhou等人，2019年）。同时，该地区的地质结构是由多阶段造山事件形成的（Ma等人，2020年）。地形限制和功能要求决定了洞室需要大规模、布局紧密、侧壁高且开挖工序复杂的结构（Liu等人，2024年；Qian和Zhou，2018年；Xu等人，2015b年）。因此，在该地区开挖的洞室在建设过程中不可避免地会遇到变形和破坏问题。中国西南地区的地下电站开挖面临着周围岩石严重变形和破坏的挑战，这是由于高原应力和复杂的地质结构所致。在这种环境下，常见的破坏模式有三种：结构面控制破坏（Li等人，2018年；Zhou等人，2019年），这种破坏受岩体中弱结构面的控制，具有明显的方向性和局部性；应力驱动破坏（Song等人，2016年；Xu等人，2015b年），由高原应力条件下岩体强度极限的超出引起，具有强烈的时间依赖性和区域性；以及结构应力耦合破坏（Ding等人，2019年；Li等人，2017a年；Qian和Zhou，2018年），这种破坏由地质结构与应力场的相互作用引起，其特征是大规模变形和复杂的机制。一个典型的例子是由开挖扰动引发的断层滑移变形。
岩石锚固梁作为地下电站中的关键结构元件，主要用于减小洞室跨度并加快施工进度。这种梁通常作为起重机的承重结构，由钢筋和混凝土构成（Chen等人，2007年；Ning等人，2025年；Wang和Solimar，1997年）。该结构通过锚杆将起重机梁固定在岩墙上。整个起重机荷载通过两个界面传递到岩体：锚杆与钢筋混凝土起重机梁之间的界面，以及起重机梁与岩体接触面之间的界面（Ma等人，2023年；Wang等人，2007年；Wang和Solimar，1997年）。在不良的地质条件下，会在岩石锚固梁上方建造结构柱以提高其稳定性，形成一个整体结构系统以共同抵抗外部荷载（图1）。因此，岩石锚固梁及其上方结构柱的安全性和稳定性需要特别关注。然而，在地下洞室开挖过程中，岩石锚固梁的裂隙是不可避免的现象，这种裂隙受到原位应力条件、开挖活动、地质结构和周围岩石岩性的强烈影响。
许多研究者已经对岩石锚固梁的裂隙特征进行了研究。在高原应力较高的条件下（地下电站的最大主应力范围为25.0至35.2兆帕），关帝水电站的岩石锚固梁上出现了大约51条裂隙（Wu和Dong，2017年；Zhang等人，2012年）。裂隙宽度从0.1毫米到2.5毫米不等，最大达到10毫米，延伸长度在0.3米到2.4米之间。同样，在后子堰水电站（Li等人，2017b年），在高原应力较高的情况下（电站的平均最大主应力为28.33兆帕），岩石锚固梁上也观察到了多达30条裂隙。这些裂隙的宽度从0.1毫米到3.0毫米不等（最大10毫米），延伸长度在50厘米到170厘米之间。其他项目的报告也显示了类似的问题（Wang等人，2007年）记录了地下电站中下游岩石锚固梁与周围岩体之间的裂隙，宽度为10-20毫米，长度可达15米，而梁本身保持完好。在另一个案例中（Tang等人，2009年），在第六次开挖阶段后发现了五条裂隙。这些裂隙主要位于混凝土-岩石接触区，宽度为1-3毫米（最大5毫米），长度不超过70厘米，显示出明显的连续性。
研究表明，早期施工过程中形成的岩石锚固梁可能会引起应力集中。随后的爆破开挖可能会触发周围岩石的显著变形和裂隙，甚至可能扩展到梁本身，从而影响结构安全（Yin等人，2013年；Zhou等人，2016年）。岩石锚固梁中的裂隙主要为垂直于梁轴的横向裂隙，而平行于梁轴的纵向裂隙较为罕见。横向裂隙的产生主要是由于混凝土浇筑过程中的温度波动和局部拉伸效应。相比之下，纵向裂隙的发展受多种因素影响，包括周围岩石的地质条件、开挖方法和支护安装顺序。从根本上说，纵向裂隙的形成是由岩体对开挖引起的应力重分布的机械响应所控制的。如果在开挖过程中没有充分处理裂隙问题，可能会导致整个梁在运行载荷下发生变形。因此，施工过程中岩石锚固梁的裂隙机制需要得到更多关注（Li等人，2017b年；Tang等人，2009年）。尽管之前的研究已经探讨了岩石锚固梁裂隙的原因和影响因素，以及在高原应力条件下的裂隙特征（如分布、长度和宽度），但在高应力与复杂岩体结构条件下的裂隙行为和机制仍不够明确。特别是关于结构柱和岩石锚固梁集成系统的裂隙研究仍然非常有限。鉴于岩石锚固梁系统的重要性，因此有必要对这些裂隙现象进行系统的研究。
本研究调查了地下电站中岩石锚固梁系统的裂隙原因和机制。分析重点关注高原应力高和地质条件复杂的状况，以叶巴滩水电站的上游岩石锚固梁裂隙为例进行案例研究。首先通过现场调查记录岩石锚固梁及其上方结构柱的裂隙特征。随后通过监测数据分析和数值模拟研究了整个施工和运行阶段周围岩体和岩石锚固梁的变形和力学特性。最后阐明了裂隙机制，并提出了相应的加固措施。
工程概况
工程背景
叶巴滩水电站位于金沙河上游，地处四川省白玉县与西藏贡觉县的交界处。该电站主要由主厂房、主变压器室、尾水调压室和母线隧道组成（Yu等人，2024年；Yu等人，2025年）。主厂房长268.0米，宽28.5米，高67.1米，分为11层依次开挖（图2）。岩石锚固梁位于第三层...
岩石锚固梁及其上方结构柱的裂隙特征
岩石锚固梁及其上方结构柱分布在两类不同的周围岩石中。它们位于0-059.20米至0+180.00米的III类岩石中，以及0+180.00米至0+183.00米的IV类岩石中。2023年4月初，在地下电站第八层开挖过程中，发现上游岩石锚固梁及其上方的结构柱中出现了横向裂隙...
监测数据分析
在地下电站的岩壁和岩石锚固梁上战略性地安装了多种监测仪器，旨在全面考察整个施工和运行阶段周围岩体和岩石锚固梁的应力和变形特性。这些仪器包括多点伸长计、裂隙计、螺栓应力计和锚杆动态仪等...
讨论
在地下洞室开挖过程中，岩石锚固梁的裂隙形成是一个固有的工程现象，需要系统分析。垂直于梁轴的横向裂隙较为常见，而平行于梁方向的纵向裂隙相对较少。横向裂隙主要与混凝土固化过程中的温度变化和相关的拉伸应力发展有关。相比之下，纵向裂隙的发展受多种因素影响，包括周围岩石的地质条件、开挖方法和支护安装顺序。从根本上说，纵向裂隙的形成是由岩体对开挖引起的应力重分布的机械响应所控制的。如果在开挖过程中没有充分处理裂隙问题，可能会导致整个梁在运行载荷下发生变形。因此，施工过程中岩石锚固梁的裂隙机制需要得到更多关注（Li等人，2017b年；Tang等人，2009年）。尽管之前的研究已经探讨了岩石锚固梁裂隙的原因和影响因素，以及在高原应力条件下的裂隙特征（如分布、长度和宽度），但在高应力与复杂岩体结构条件下的裂隙行为和机制仍不够明确。特别是关于结构柱和岩石锚固梁集成系统的裂隙研究仍然非常有限。鉴于岩石锚固梁系统的重要性，因此有必要对这些裂隙现象进行系统的研究。
作者贡献声明
余培阳：撰写——初稿、软件开发、方法论、研究设计、资金筹集、数据分析、概念化。
丁秀丽：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源协调、资金筹集、概念化。
黄淑玲：监督。
朱新浩：监督、研究。
秦阳：研究。
何建华：研究。
张玉婷：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。
韩刚：验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52309122、U2340229和52409124）、中央公益性研究院基本研究基金（项目编号：CKSF2023323/YT）以及长江水利科学研究院创新团队（项目编号：CKSF2021715/YT）的支持。
