壓力隧洞新型預應力混凝土襯砌技術模擬試驗研究

黃 昊，劉致彬，岳躍真，郝巨濤

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學研究院 北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038）

壓力隧洞新型預應力混凝土襯砌技術模擬試驗研究

黃 昊1，2，劉致彬1，2，岳躍真1，2，郝巨濤1，2

（1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學研究院 北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038）

在現(xiàn)有壓力隧洞預應力混凝土襯砌技術的基礎上，提出了基于圓環(huán)形扁千斤頂技術的新型預應力混凝土襯砌隧洞新概念。實現(xiàn)這個設想的關鍵設備是圓環(huán)形扁千斤頂，是一個用薄鋼板制成的中空圓形壓力囊，利用液壓通過有限的徑向位移對隧洞混凝土襯砌層外部施加均布壓應力。室內(nèi)模擬試驗證明，采用薄鋼板制作的圓環(huán)形扁千斤頂可以通過灌漿或注水對襯砌結(jié)構(gòu)施加預應力，襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向預壓應力與注水壓力呈線性關系，與理論結(jié)果一致。

壓力隧洞；預應力混凝土襯砌；模擬試驗；扁千斤頂

1 研究背景

隨著壓力隧洞所承受的水頭和直徑的不斷增加，環(huán)向拉應力越來越大，理論和實踐都已證明，配置大量普通鋼筋不能防止裂縫的發(fā)生，僅能限制裂縫的擴展。傳統(tǒng)的預應力混凝土襯砌技術主要包括預應力錨索技術和高壓灌漿式預應力技術［1］，這種襯砌結(jié)構(gòu)可以使襯砌厚度減薄，節(jié)省材料和開挖量，彌補混凝土抗拉強度和延展性低等缺點，且可充分利用混凝土抗壓強度高的特點，減少襯砌結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生，但均存在局限性。

錨索式預應力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是通過張拉混凝土襯砌內(nèi)的環(huán)向錨索使襯砌產(chǎn)生預壓應力?，F(xiàn)有的預應力混凝土襯砌隧洞，一般是沿著襯砌層的環(huán)向采用預應力鋼材施加預應力。根據(jù)所使用的預應力筋的不同，可分為有黏結(jié)和無黏結(jié)兩種形式［1］。這兩種形式的技術均不能充分利用圍巖的約束作用，通過預應力鋼材施加預應力，工程中不但耗費大量的預應力鋼材，同時由于在錨索張拉過程中出現(xiàn)摩擦力作用，導致預應力不均勻。同時，耐久性和預應力保持受到鋼絞線的耐腐蝕性制約。

20世紀20年代，G·布拉文［2］首先提出了在襯砌與圍巖之間預留一條專門的縫隙，用灌漿來形成預應力。此后各國紛紛采用，如澳大利亞、南非、前蘇聯(lián)、德國和法國等［2］，各工程內(nèi)水壓力水頭100～700 m，圍巖Ⅰ～Ⅳ類，灌漿壓力2～10 MPa。灌漿式預應力混凝土襯砌通過壓力灌漿的方式使混凝土襯砌產(chǎn)生預壓應力，預應力是由襯砌和圍巖之間的壓力產(chǎn)生的。該技術可以充分利用圍巖的約束作用，節(jié)省大量預應力鋼材，同時通過灌漿作用可以加固圍巖等。中國在1976年開始進行灌漿式預應力襯砌的試驗研究工作［3-6］，目前灌漿式預應力襯砌技術也已經(jīng)列入規(guī)范［7］。但由于混凝土預壓應力持續(xù)效果不明確，預應力灌漿殘余應力不易控制，同時對襯砌厚度、預留的灌漿間隙厚度要求嚴等方面的影響，該技術的應用受到限制，影響了其大規(guī)模推廣應用。

近年來，在對現(xiàn)有預應力混凝土襯砌隧洞工程進行總結(jié)和研究的基礎上，提出了新型預應力混凝土襯砌隧洞的新概念，該技術的關鍵是在圍巖和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)之間設置由薄鋼板制成的圓環(huán)形扁千斤頂，利用灌漿或充水過程中圓環(huán)形扁千斤徑向位移對混凝土襯砌層施加均勻外部壓力作用，從而在混凝土襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生預壓應力。

2 壓力隧洞新型預應力混凝土襯砌技術

壓力隧洞新型預應力混凝土襯砌技術的理論依據(jù)與灌漿式預應力技術的理論依據(jù)類似，根據(jù)彈性力學厚壁圓筒承受內(nèi)外均布荷載時的應力狀態(tài)，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)如圖1所示。

圖1 厚壁圓筒的應力狀態(tài)

在同時受到內(nèi)外水作用下，可得厚壁圓筒受內(nèi)外壓力作用的拉梅（Lame）解［8］。

式中：a、b分別為隧洞襯砌結(jié)構(gòu)（或厚壁圓筒）的內(nèi)半徑和外半徑；q1、q2分別為內(nèi)水壓力和外水壓力。若內(nèi)、外水壓力值相同，式（1）中q1=q2，則在厚壁圓筒內(nèi)壁：

根據(jù)式（2）所示，當厚壁圓筒同時承受相同的內(nèi)、外均布荷載時，可以看到此種情況下環(huán)向應力仍為壓應力?；诖耍滦蛪毫λ矶搭A應力襯砌技術的圓環(huán)形扁千斤頂結(jié)構(gòu)能充分發(fā)揮圍巖抗力的新型結(jié)構(gòu)形式。工程實踐中，圓環(huán)形扁千斤頂可以通過環(huán)向和縱向間隔布置，達到預應力襯砌效果，具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 圓環(huán)形扁千斤頂沿隧洞軸向的布置

新型壓力隧洞預應力混凝土技術具有傳統(tǒng)灌漿式預應力的技術優(yōu)點，如可以使襯砌厚度減薄，節(jié)省材料和開挖量，顯著降低工程造價和施工難度，加快施工進度，彌補混凝土抗拉強度和延展性低的缺點，充分利用混凝土抗壓強度高的優(yōu)點。同時，由于存在圓環(huán)形扁千斤頂，可以保證圍巖與襯砌混凝土之間有封閉空腔，其施工灌漿壓力和灌漿殘余壓力可以保證，能有效地提高預加應力效果，是一種很有發(fā)展前途的襯砌形式，在我國的水電工程和城市輸水工程中具有廣泛的應用前景。

3 室內(nèi)模擬試驗

由于新型預應力混凝土襯砌壓力隧洞技術是一種創(chuàng)新技術，需要進行試驗驗證圓環(huán)形扁千斤頂?shù)脑O計、制作、安裝以及灌漿工藝控制和施加外預應力性能等方面內(nèi)容。

通常壓力隧洞所承受的內(nèi)水壓力和直徑都很大，不可能按相似模擬設計，只能取一部分預應力混凝土襯砌隧洞開展模擬試驗。室內(nèi)模擬試驗采用厚鋼板模擬圍巖，將一定寬度兩段標準圓弧段圓環(huán)形扁千斤頂固定在圍巖（鋼板）內(nèi)部的中間位置，圓環(huán)形扁千斤頂分別設有注水管、壓力表和排氣管等，通過對圓環(huán)形扁千斤頂壓水或壓漿對內(nèi)部襯砌混凝土施加預應力，同時量測襯砌混凝土內(nèi)壁的變形量，檢查襯砌結(jié)構(gòu)的預加應力效果。本文試驗中，圍巖內(nèi)徑2.4 m，軸向長度0.8 m，鋼板厚底16 mm；襯砌結(jié)構(gòu)外徑2.4 m，內(nèi)徑2.0 m，軸向長度0.8 m，C40混凝土。有關本文試驗的具體參數(shù)見表1、圖3和圖4。

表1 兩次室內(nèi)模擬試驗參數(shù)

圖3 1#試驗模擬（單位：cm）

4 試驗結(jié)果分析

圖4 2#試驗模擬立面圖

4.1 1#模擬試驗結(jié)果（1）預應力響應。試驗時逐漸加大注水壓力，并記錄下環(huán)向壓縮變形值。首先控制注水壓力1 MPa，反復多次加壓和卸壓，試驗結(jié)果表明重復性很好。然后將控制注水壓力繼續(xù)加大，當壓力超過1.2 MPa后，發(fā)現(xiàn)沿襯砌混凝土圓環(huán)中間位置出現(xiàn)一條連續(xù)的環(huán)向裂縫，肉眼清晰可見，當壓力大于1.5 MPa后，發(fā)現(xiàn)圓環(huán)形扁千斤頂和襯砌混凝土之間滲水，遂終止試驗。

圖5為環(huán)向預壓應力σθ與注水壓力P關系曲線。從圖5中可以看出，在注水壓力小于1.0 MPa前后，試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)了突變，這與襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)環(huán)向裂縫時機相吻合。根據(jù)有限元計算結(jié)果，在出現(xiàn)裂縫（注水壓力小于1.0 MPa）前注水壓力和環(huán)向預壓應力為線性變化，環(huán)向預壓應力為注水壓力的3.5倍，與試驗結(jié)果環(huán)向預壓應力為注水壓力的3.3倍相接近，相差不到6%，說明注水壓力和預加應力具有較好的線性關系。

（2）環(huán)向裂縫成因分析。針對在試驗中襯砌混凝土內(nèi)壁出現(xiàn)的環(huán)向裂縫，進行了有限元模擬計算，結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)與室內(nèi)模擬試驗的參數(shù)一致。取四分之一圓環(huán)作為研究對象，有限元模擬采用空間8節(jié)點等參單元，材料采用線彈性材料模擬。

圖6為水壓力分別為1.2 MPa和1.5 MPa時的軸向應力分布。從圖6可以看出，在1.2 MPa水壓力作用下襯砌混凝土內(nèi)壁中心位置軸向應力為3.8 MPa，在1.5 MPa水壓力作用下襯砌混凝土內(nèi)壁中心位置軸向應力為4.95 MPa，均大于模擬試驗所采用混凝土材料的劈裂強度2.71 MPa，所以在1.2 MPa水壓力作用下即出現(xiàn)了環(huán)向裂縫，同時裂縫開度隨水壓力增大而繼續(xù)增大，與現(xiàn)場試驗情況相吻合。

圖5 環(huán)向預壓應力σθ與注水壓力P的關系曲線

圖6 軸向應力分布

4.2 2#模擬試驗結(jié)果2#模擬試驗在用水泥漿施加外預應力前，首先用水施加預應力檢查圓環(huán)形扁千斤頂密封性。檢查完成后，打開注水閥門，放走圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)的積水，開始注入水泥漿。注漿采用U-3型灰漿泵，從注漿孔進入，當排氣孔排出空氣-水-稀漿-稠漿時，關閉排氣閥門，開始逐漸加大注漿壓力直至設計壓力（1.8 MPa），并記錄下相應的環(huán)向變形值，發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。環(huán)向預壓應力σθ與注漿壓力P的關系曲線見圖7。

圖7 環(huán)向預壓應力σθ與注漿壓力P的關系曲線

根據(jù)有限元計算結(jié)果，注水壓力和環(huán)向預壓應力為線性變化，環(huán)向預壓應力為注水壓力的 6.8倍，與試驗結(jié)果環(huán)向預壓應力為注水壓力的7.1倍相接近，相差不到5%，模擬試驗能反映實際工作條件，可以線性施加預加應力。

4.3 室內(nèi)模擬圍巖變形與同尺寸圍巖彈性變形比較試驗中采用厚鋼板模擬圍巖約束，所采用鋼板厚度為16 mm，內(nèi)徑為240 cm，盡管該模擬與真實圍巖之間有較大的差異，但由于該模擬圍巖在圓環(huán)形扁千斤頂加壓過程中會發(fā)生環(huán)向和徑向變形，與實際圍巖具有一定相似性，可以在一定程度上反映圍巖的變形。根據(jù)材料力學薄壁圓筒應力應變計算公式，模擬圍巖在灌漿壓力作用下的環(huán)向應力和變形計算公式如下：

式中：σθ為模擬圍巖的環(huán)向應力；uθ為模擬圍巖的環(huán)向變形；p為灌漿壓力（取最大灌漿壓力1.8 MPa）；E為鋼材彈性模量（取200 GPa）；D為模擬圍巖內(nèi)徑（取2.4 m）；δ為模擬圍巖厚度（16 mm）；

根據(jù)式（3），試驗條件下（1.8 MPa灌漿壓力作用下）模擬圍巖的環(huán)向拉應力最大達到135 MPa，模擬圍巖的環(huán)向變形5.1 mm。

對于施工期灌漿條件下，假定圍巖變形是彈性力學中無限大板孔內(nèi)受力變形的模擬。對于圍巖初始地應力為q、圍巖內(nèi)摩擦角φ、圍巖黏結(jié)強度c的條件下，當圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)施加灌漿壓力pt低于屈服強度時，圍巖處于彈性階段［8］，根據(jù)彈性力學因灌漿壓力產(chǎn)生的圍巖徑向變形可以由無限大板孔內(nèi)受力計算，此時隧洞圍巖環(huán)向變形為：

其中：μd、Ed分別為圍巖的泊松比和彈性模量；pt為灌漿壓力；r為隧洞開挖半徑（圓環(huán)形扁千斤頂外徑）。

假定在圍巖處于彈性階段條件下，對于同樣結(jié)構(gòu)尺寸和灌漿壓力作用的圍巖變形，依據(jù)規(guī)范選取不同圍巖材料參數(shù)［9］按照式（4）進行類比計算，計算結(jié)果詳見表2。

表2 相同尺寸和灌漿壓力條件下不同圍巖在彈性階段環(huán)向變形

表2中可以看出，從模擬圍巖變形的角度來看，本次試驗所采用的鋼板模擬圍巖變形基本上與同尺寸、同灌漿壓力條件下的Ⅳ類圍巖變形接近，也說明模擬試驗在圍巖變形計算方面可以模擬彈性狀態(tài)Ⅳ類圍巖約束變形條件。

5 結(jié)論

（1）基于圓環(huán)形扁千斤頂技術的壓力隧洞新型預應力混凝土襯砌技術可以控制灌漿量和灌漿壓力，在理論上能達到預應力襯砌效果，并可以省去預應力鋼材，簡化了施工工藝，且不存在預應力鋼材的銹蝕問題，更加安全可靠。

（2）模擬試驗中，在工廠內(nèi)用1 mm厚的薄鋼板加工、制作成標準圓弧段，檢驗合格后運至工地現(xiàn)場安裝在圍巖和襯砌混凝土之間，各標準圓弧段之間則以絲扣鋼管連接成封閉的圓環(huán)狀，待襯砌混凝土達到設計強度后，再通過高壓泵向圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)注入壓力水（漿液）對襯砌混凝土施加外預應力的方法是可行的，其環(huán)向預壓應力與注水壓力呈正比例關系，可以達到預應力效果。

（3）模擬試驗中，由于圓環(huán)形扁千斤頂布置不當，可能會導致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，因此在實際工程設計時應通過結(jié)構(gòu)設計等措施避免該現(xiàn)象發(fā)生。

（4）模擬試驗中的圍巖變形量與同結(jié)構(gòu)尺寸和灌漿壓力條件的Ⅳ類圍巖彈性階段變形接近，說明基于圓環(huán)形扁千斤頂技術的新型壓力隧洞預應力技術具有較好的適應性。

［ 1］ 任海波.無粘結(jié)環(huán)錨預應力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計研究［D］.天津：天津大學，2005.

［ 2］ 李東平，?，B.預應力裝配式混凝土襯砌的技術原理及其在水工隧洞工程中的應用［J］.中國新技術新產(chǎn)品，2009（14）：53.

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［ 7］ SL279-2002，水工隧洞設計規(guī)范［S］.

［ 8］ 蔡曉鴻，蔡勇平.水工壓力隧洞結(jié)構(gòu)應力計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［ 9］ GB50218-94，工程巖體分類標準［S］.

Simulation experiment of a new technology of pre-stressed concrete lining in pressure tunnel

HUANG Hao1，2，LIU Zhibin1，2，YUE Yuezhen1，2，HAO Jutao1，2
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100038，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Based on the existing technology of pre-stressed concrete pressure tunnel lining，a new technolo?gy of pre-stressed concrete lining technology with ring flat jack is put forward.The key equipment to imple?ment this idea is a ring shape flat jack，which is made of thin steel as hollow circular pressure bag，and which can impose uniform compressive stress of tunnel concrete lining layer through radial displacement. From the simulation experiment，it is proved that circular flat jack made by thin steel plate can apply pre-stress on the lining structure through grouting orinjection，and the circumferential pre-compression stress of the lining structure is linear with the injection pressure，which is consistent with the theoretical re?sults.

pressure tunnel；pre-stressed concrete lining；simulation experiment；flat jack

TV332

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.003

1672-3031（2015）01-0014-06

（責任編輯：王冰偉）

2014-03-28

中國水利水電科學研究院科研專項（結(jié)集1366）

黃昊（1982-），男，河南新野人，博士生，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)材料研究。E-mail：huangh@iwhr.com