隧洞無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)研究進(jìn)展

薛 興 祖

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,吉林 長春 130021)

1 概述

水工隧洞可分為有壓隧洞和無壓隧洞，有壓隧洞需設(shè)置襯砌，襯砌與圍巖共同承擔(dān)荷載，保證隧洞安全和圍巖穩(wěn)定。隨著水壓的提高，則需要采用預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌又可分為被動預(yù)應(yīng)力和主動預(yù)應(yīng)力兩種型式。被動式結(jié)構(gòu)通常又稱為灌漿式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，它是指在襯砌和圍巖之間形成一個環(huán)形的空隙，再用壓力注漿填滿空隙，通過灌漿壓力使襯砌受壓從而形成預(yù)應(yīng)力。被動預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)要求圍巖要有足夠的強(qiáng)度和厚度，目前最常見的施工方法有基澤爾(Kiesser)環(huán)形中空和特羅爾(Tyrol)水電公司TIWAG的空隙注射法[1-6]。

主動式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，又可分為先張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)是典型的后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)[1,3]。按鋼絞線與混凝土是否有粘結(jié)力環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)又可分為有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌是指在混凝土澆筑之前，預(yù)埋一圈金屬波紋管，然后支模澆筑混凝土，澆筑28 d后，將鋼絞線穿入預(yù)埋的金屬管道，然后在錨具槽內(nèi)進(jìn)行張拉并錨固，最后向空心波紋管道內(nèi)灌漿，使?jié){液和鋼絞線粘結(jié)在一起。無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌是指在澆筑混凝土前將無粘結(jié)鋼絞線和普通非預(yù)應(yīng)力鋼筋一起鋪設(shè)在模板內(nèi)，澆筑混凝土滿28 d后在錨具槽內(nèi)進(jìn)行張拉和錨固[4-10]，無粘結(jié)鋼絞線是一種外部裹以塑料PE套管，內(nèi)部空隙填充油脂的鋼絞線，當(dāng)鋼絞線張拉時，可以和PE套管之間相互滑動。

2 無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

目前國內(nèi)外已經(jīng)修建了大量環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)，從已建工程的特點(diǎn)來看，和鋼板—鋼筋混凝土襯砌相比，無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)工程量小，工程造價明顯降低。已建工程施工經(jīng)驗(yàn)表明[11]，與鋼板襯砌相比，由于使用高強(qiáng)度鋼絞線，環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌可大量降低鋼材的使用，可降低工程造價10%～30%。2)運(yùn)輸和施工較為方便，鋼板襯砌需要對大直徑鋼板進(jìn)行運(yùn)輸和現(xiàn)場焊接，這在隧洞內(nèi)完成將非常困難。小浪底排沙洞工程采用環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度比預(yù)計(jì)的兩年時間提前了近半年[11]。3)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌抗裂性能強(qiáng)，并具有在超載開裂后卸載裂縫自動閉合等優(yōu)點(diǎn)，而鋼板襯砌一旦出現(xiàn)屈服，將不可逆的產(chǎn)生嚴(yán)重后果。4)在隧洞放空檢修期，環(huán)錨襯砌不會像鋼板—鋼筋混凝土襯砌一樣存在屈曲失穩(wěn)的潛在缺點(diǎn)。

無粘結(jié)環(huán)錨襯砌與灌漿式預(yù)應(yīng)力襯砌相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)[4,12]：1)灌漿式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌要保持永久預(yù)應(yīng)力，對圍巖要求較高，需要圍巖有足夠的厚度或覆蓋層厚度，而環(huán)錨式預(yù)應(yīng)力襯砌對圍巖幾乎沒有要求，適用于地質(zhì)條件更惡劣的環(huán)境。2)環(huán)錨襯砌通過錨索張拉獲得預(yù)應(yīng)力，在設(shè)計(jì)時可不考慮圍巖作用，適用于軟巖中，并能在超載開裂后卸載裂縫自動閉合，灌漿式預(yù)應(yīng)力則對荷載條件要求較高。3)環(huán)錨式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌可解決高內(nèi)壓隧洞的修建難題，并能通過控制張拉力控制預(yù)應(yīng)力大小，且預(yù)應(yīng)力較為均勻。4)因環(huán)錨襯砌使用高強(qiáng)度無粘結(jié)鋼絞線，因而錨索張拉提供的預(yù)應(yīng)力可大幅降低襯砌厚度，節(jié)省鋼材和隧洞開挖量。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)與有粘結(jié)相比，優(yōu)點(diǎn)在于[1]：1)沿程環(huán)向預(yù)應(yīng)力更加均勻；2)隧洞軸向方向的應(yīng)力也更加均勻；3)環(huán)錨間距更大，錨具槽數(shù)量大幅減少，減少了大量施工量，工程成本大幅降低；4)減小了錨具槽過渡段處的不均勻徑向應(yīng)力；5)不需要在混凝土澆筑后穿入鋼絞線，節(jié)省了施工時間；6)不存在在隧洞頂部進(jìn)行操作的困難工作環(huán)節(jié)；7)環(huán)錨間距增大，有足夠的空間設(shè)置止水帶；8)無粘結(jié)鋼絞線和PE套管之間存在防腐油脂，使得預(yù)應(yīng)力鋼絞線更耐腐蝕。

當(dāng)然無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)：1)預(yù)應(yīng)力體系會因錨固失效而失效；2)需要綁扎大量鋼絞線，且鋼絞線定位要求較高；3)由于鋼絞線和部內(nèi)鋼筋密集，空間較少，混凝土澆筑時振搗較困難，對混凝土的骨料要求高。

3 無粘結(jié)環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

1973年VSL公司在意大利San Fiorimo水電站調(diào)壓井工程中開創(chuàng)性的采用有粘結(jié)環(huán)錨式預(yù)應(yīng)力襯砌，開創(chuàng)了預(yù)應(yīng)力環(huán)錨技術(shù)的新時代。從1973年到1977年，短短幾年時間內(nèi)，VSL公司在意大利采用有粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力技術(shù)共修建了3個調(diào)壓井和3條有壓隧洞，并于1978年在瑞士修建了世界上第一條無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力隧洞，形成了一套比較成熟的環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)和施工機(jī)具[13-19]。隨著意大利Presenzano隧洞的完工，因國外發(fā)達(dá)國家的水電資源已基本開發(fā)完畢，所以近20多年來，國外無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)的應(yīng)用和研究非常少，幾乎未見新的報(bào)道。我國無粘結(jié)環(huán)錨工程應(yīng)用始于1998年修建的黃河小浪底排沙洞工程，近20年來又修建了遼寧大伙房水庫輸水道工程，西龍池抽水蓄能電站和東深供水工程。其中規(guī)模最大的小浪底排沙洞工程，技術(shù)最為成熟的也是小浪底工程，后續(xù)幾個工程都是參照其技術(shù)進(jìn)行修建，未有大的技術(shù)突破。國內(nèi)外采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)形式的工程如表1所示[4]。

從已建工程相關(guān)資料來看，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)很好解決了高內(nèi)壓隧洞的問題，但已建工程或多或少也存在一定的問題，例如小浪底排沙洞運(yùn)行10多年以來，整體運(yùn)行狀況良好，埋設(shè)于襯砌內(nèi)的長期監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示預(yù)應(yīng)力分布均勻，放空檢修期進(jìn)洞檢查，隧洞內(nèi)壁未出現(xiàn)裂縫，但發(fā)現(xiàn)了某些錨具槽局部防腐油脂滲出的現(xiàn)象，分析原因?yàn)殄^具槽混凝土回填不夠密實(shí)導(dǎo)致，通過注水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空隙約占回填混凝土體積的10%[4]，這對于保證襯砌結(jié)構(gòu)的一體性是非常不利的。國內(nèi)后續(xù)幾個無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力工程幾乎都是參照小浪底工程進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的，未對襯砌結(jié)構(gòu)做出實(shí)質(zhì)性的優(yōu)化。吉林省中部城市引松供水工程正計(jì)劃進(jìn)行14.7 km的無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌施工，目前仍在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段。相比小浪底排沙洞工程，目前經(jīng)過了20多年的發(fā)展，我國預(yù)應(yīng)力體系得到了長足的發(fā)展，在工程應(yīng)用中，錨固系統(tǒng)及張拉機(jī)具都由進(jìn)口設(shè)備轉(zhuǎn)為國產(chǎn)設(shè)備，由此帶來的工程造價的降低使越來越多的水工隧洞應(yīng)用無粘結(jié)環(huán)錨這一先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工成為現(xiàn)實(shí)，這對我國預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)的發(fā)展將起到積極發(fā)展的作用。

表1 國內(nèi)、外主要無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌工程

4 無粘結(jié)環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向

作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，在有壓輸水隧洞方面具有廣闊的應(yīng)用空間，但目前無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌作用機(jī)理尚不明確，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，給工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難。對于無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌而言，應(yīng)把握以下發(fā)展方向：1)建立科學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。目前已建的幾個工程在進(jìn)行無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌設(shè)計(jì)時，均是結(jié)合內(nèi)水壓力和工程地質(zhì)條件，先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，假定襯砌厚度、錨索間距、錨索根數(shù)、錨索張拉力等，然后利用數(shù)值試驗(yàn)和模型試驗(yàn)檢驗(yàn)其是否滿足工程要求，若不能滿足要求，再對某些參數(shù)做出經(jīng)驗(yàn)性的調(diào)整，并再次利用數(shù)值模擬或模型試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，依次循環(huán)。這種設(shè)計(jì)方式效率較低，雖能滿足實(shí)際工程需求，但需耗費(fèi)大量人力和物力，應(yīng)根據(jù)已有工程資料，進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，提出科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，并完成相關(guān)規(guī)范的編制工作。2)襯砌結(jié)構(gòu)型式和施工工藝的優(yōu)化。已建無粘結(jié)環(huán)錨工程或多或少暴露了一些問題，例如小浪底出現(xiàn)部分錨具槽漏油現(xiàn)象。對無粘結(jié)環(huán)錨襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或改進(jìn)錨具槽施工工藝有望解決這一問題，無粘結(jié)環(huán)錨襯砌技術(shù)要得到廣泛應(yīng)用，也必然要克服這些缺點(diǎn)。3)施工機(jī)具的輕便化。無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力技術(shù)源于國外，國內(nèi)相應(yīng)的施工機(jī)具發(fā)展滯后，在小浪底排沙洞時期錨具和張拉機(jī)具等都由國外生產(chǎn)商提供，增加了工程成本。而隨著近20年來國外工程的凋零以及國內(nèi)工程的興起，國產(chǎn)設(shè)備技術(shù)已經(jīng)迎頭趕上，但仍需在施工輕便化方面繼續(xù)發(fā)展。4)更先進(jìn)錨具槽防腐技術(shù)的研究。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌最薄弱位置為錨具槽，錨固系統(tǒng)的耐久性關(guān)系到整個預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用年限，因而錨具槽防腐是整個預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵點(diǎn)，徹底解決錨具槽防腐問題，可使無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)具有更大的應(yīng)用前景。

[1] 林秀山,沈鳳生.小浪底工程后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力隧洞襯砌技術(shù)研究與實(shí)踐[M].鄭州:黃河水利出版社,1999.

[2] 任海波.無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津大學(xué),2007.

[3] 張 博.環(huán)錨無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].天津：天津大學(xué),2012.

[4] 隨春娥.小浪底無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及安全評價分析[D].天津：天津大學(xué),2014.

[5] 金兆輝.無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土壓力隧洞的設(shè)計(jì)研究[D].南京：河海大學(xué),2006.

[6] 金秋蓮.無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌三維有限元計(jì)算分析研究[D].天津：天津大學(xué),2005.

[7] 李曉克.預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管道受力性能與計(jì)算方法的研究[D].大連：大連理工大學(xué),2003.

[8] 張雪濤.錨具槽回填混凝土自應(yīng)力效果試驗(yàn)研究[D].天津：天津大學(xué),2012.

[9] 王曉哲.環(huán)錨無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞在線監(jiān)測及安全評價研究[D].天津：天津大學(xué),2013.

[10] 林秀山,沈鳳生.排沙洞無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的研究與實(shí)踐[J].水力發(fā)電,2000(8):46-49.

[11] 俞祥榮,唐小萍,亢景付.雙圈環(huán)繞無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌施工技術(shù)[M].北京:中國水利水電出版社,2000.

[12] 賈 碩.環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)錨具槽區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)分析[D].天津：天津大學(xué),2014.

[13] Trucco G,O. Zeltner.Grimsel-Oberrar pumped storage system[J].Water Power & Dam Construction,1978(2)：65-66.

[14] VSL international.Offtake Tunnels for the Presenzano Lydroelectric Facility[R].L’Industria Italiana del Cemento,VSL Job Report,1990.

[15] Ghinassi G， Gnone E.Prestressed Concrete Lining of a Pressure Tunnel,L’Industria Italiana del Cemento,1974(11)：89-90.

[16] VSL Job Report.Water Supply Gallery Piastra-Andonno,Italy,VSL International,1977(6)：50-51.

[17] VSL Job Report.Pumped Strage Scheme Taloro,Sardinia,Italy,VSL International,1977(16)：47-48.

[18] Pierre Rolleli,Chiotas-Piastra Pumped Storage Scheme,Italy,VSL International,1978(7)：74-75.

[19] 王成西,婁運(yùn)平.國外水電站調(diào)壓室采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的概況[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),1992(3):79-84.