盾構(gòu)高壓輸水隧洞新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)研究

李志云，楊光華,，劉清華，賈 愷，徐傳堡，姜 燕

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635；3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

常規(guī)盾構(gòu)隧道工程中，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)較為簡單，一般僅由盾構(gòu)管片組成，主要用來承擔(dān)隧道外的水土壓力，這種條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)明確，許多學(xué)者已做了很多相關(guān)的研究[1-5]。但用于承受內(nèi)水壓力或內(nèi)外水土壓力的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)型式及其應(yīng)力狀態(tài)則相對(duì)研究較少，尤其是在高內(nèi)水壓力情況下采用何種結(jié)構(gòu)型式，其受力特征如何，目前仍鮮有涉足。

當(dāng)前用于承受內(nèi)水壓力或內(nèi)外水土壓力的盾構(gòu)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)型式主要有以下幾種[6]：①單層襯砌結(jié)構(gòu)；②疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)；③復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)；④分離式雙層襯砌結(jié)構(gòu)。第一類單層襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌僅由盾構(gòu)管片組成，用以承擔(dān)內(nèi)外水土壓力；第二類疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，由盾構(gòu)外襯與二襯緊密結(jié)合而成，兩者共同承擔(dān)內(nèi)外水土壓力，內(nèi)外襯間可以傳遞拉壓力及剪力；第三類復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類似第二類結(jié)構(gòu)，但是內(nèi)外襯僅傳遞壓力；第四類分離式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)外襯之間設(shè)立隔離層，外襯承擔(dān)外水土壓力，內(nèi)襯承擔(dān)內(nèi)水壓力。近年來國內(nèi)外有不少工程采用盾構(gòu)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行有壓輸水如埃及的穿越蘇伊士運(yùn)河輸水隧洞工程[7]，我國的南水北調(diào)的穿黃工程[8-9]，南水北調(diào)團(tuán)九工程[10]，南水北調(diào)配套工程南干渠工程[11]，上海青草沙源水供水工程[12-13]和廣州的西江引水工程[14]等。正準(zhǔn)備建設(shè)的珠江三角洲水資源配置工程擬采用盾構(gòu)隧洞的方式建設(shè)輸水管道，其最高內(nèi)水壓力達(dá)到了1.1 MPa，是目前國內(nèi)采用這種隧洞內(nèi)壓最高的，在世界上也是少有的，其初步考慮采用類似廣州西江引水工程的結(jié)構(gòu)形式，用鋼管內(nèi)襯單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力，盾構(gòu)管片承擔(dān)外水土荷載，這是受力最安全的結(jié)構(gòu)型式。目前高內(nèi)水壓力的輸水盾構(gòu)隧洞基本是采用這種內(nèi)外襯獨(dú)立承擔(dān)的最安全模式，但不一定是最合理的。

為此，本文基于分離式雙層襯砌結(jié)構(gòu),提出一套盾構(gòu)輸水隧洞新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，該種襯砌結(jié)構(gòu)包括：盾構(gòu)管片外襯、鋼管內(nèi)襯、內(nèi)外襯間不同填充程度的自密實(shí)混凝土及軟墊層。依托珠江三角洲水資源配置工程的地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)資料，利用ABAQUS有限元分析軟件分析新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)在不同自密實(shí)混凝土填充程度，不同軟墊層位置及厚度等條件下，鋼管內(nèi)襯及自密實(shí)混凝土的應(yīng)力、外襯盾構(gòu)管片的變形。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的合理性，并為高壓輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種可行方向。

1 新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)建立及計(jì)算工況

1.1 新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)建立

盾構(gòu)輸水隧洞新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，不同于常規(guī)分離式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯鋼管與外襯盾構(gòu)管片間雖然隔離開，但是鋼管與盾構(gòu)管片間自密實(shí)混凝土并不填充滿，而是采取半埋式，即不完全填充，在保障外襯承擔(dān)外水土壓力，內(nèi)襯承擔(dān)高內(nèi)水壓力的同時(shí)，方便施工，且利于排水。其結(jié)構(gòu)包括：盾構(gòu)管片外襯、鋼管內(nèi)襯、內(nèi)外襯間不同填充程度的自密實(shí)混凝土及軟墊層。結(jié)構(gòu)型式示意見圖1。

為了解半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的適用性，設(shè)計(jì)了4種半埋式結(jié)構(gòu)：1/3包圍自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)、1/2包圍自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)、2/3包圍自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)、全包圍頂部露空自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)。

1.2 新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

依托珠江三角洲水資源配置工程的地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)資料，新型半埋式內(nèi)襯鋼管計(jì)算基于外徑6 m，過水內(nèi)徑4.8 m的輸水隧洞，內(nèi)外襯之間填充自密實(shí)混凝土，隧洞埋深約40 m，設(shè)計(jì)最大內(nèi)水壓力為1.1 MPa，鋼管壁厚為16 mm，隧洞上覆粉質(zhì)黏土及巖層，其中土層模量為30 MPa，覆蓋層圍巖最小厚度約1倍洞徑，最小模量為2 GPa，計(jì)算內(nèi)容見表1所示。

鑒于內(nèi)外襯分別受力，且盾構(gòu)管片承擔(dān)外水土壓力的計(jì)算理論較為成熟，故本次計(jì)算不考慮外水土荷載，僅分析內(nèi)水壓力對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的影響，考慮上覆地層的主要目的是分析復(fù)合結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力對(duì)于地層抗力的敏感性。

基于圖1結(jié)構(gòu)示意與上述分析工況，采用ABAQUS有限元分析軟件，建立復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖2所示。

2 新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.1 新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)楊光華[16]等人的理論，利用剛度等效，將盾構(gòu)管片等效成一個(gè)均質(zhì)圓環(huán)，圓環(huán)剛度計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中ks，kF，kL，kB為接縫處螺栓剛度、封頂塊剛度、連接塊剛度、標(biāo)準(zhǔn)塊剛度；Ac為管片橫截面積；nJ，nF，nL，nB為接縫個(gè)數(shù)，封頂塊個(gè)數(shù)，連接塊個(gè)數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)塊個(gè)數(shù)；K為盾構(gòu)管片總剛度；E為盾構(gòu)管片等效模量；L為盾構(gòu)管片中性軸周長。

盾構(gòu)管片尺寸及參數(shù)：C55混凝土Ec=35.5 GPa，管片寬B=1 500 mm，厚H=300 mm，Ac=450 000 mm2。螺栓計(jì)算參數(shù)：彈性模量Es=200 GPa，As=182.25π mm2，螺栓水平投影長度Ls=488.61 mm。接縫與管片個(gè)數(shù)：nJ=6，nF=1，nL=2，nB=3。

根據(jù)公式(1)(2)，外襯等效彈性模量為Ec=2.98 GPa。

根據(jù)珠江三角洲水資源配置工程盾構(gòu)隧洞設(shè)計(jì)資料，隧洞內(nèi)襯鋼管采用Q345C鋼管，根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591)[17]，Q345C鋼管屈服強(qiáng)度335 MPa，σs使用值為329 MPa，根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SLT 281—2003)[18]，對(duì)于明管，許用應(yīng)力[σs]=0.55σs=181 MPa。根據(jù)楊光華[16]盾構(gòu)管片允許徑向變形2 mm。

計(jì)算參數(shù)見表2所示。

其中p為內(nèi)水壓力；t為鋼管壁厚；E1為土層模量；E2為巖層模量；Ec為外襯盾構(gòu)管片模量；Es為內(nèi)襯鋼管模量；Ez為自密實(shí)混凝土模量；[σs]為鋼管許用拉應(yīng)力；[σz]為自密實(shí)混凝土許用拉應(yīng)力。

2.2 新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

以第二部分計(jì)算內(nèi)容,軟墊層位于自密實(shí)混凝土內(nèi)側(cè)1/3包圍自密實(shí)混凝土復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果為例。計(jì)算結(jié)果見圖3～5。

將第一部分，第二部分1/3包圍自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)、1/2包圍自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)、2/3包圍自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)、全包圍頂部露空自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)及常規(guī)分離式雙層襯砌結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算結(jié)果，繪制成表3～8和曲線圖6～11所示。

2.2.1全土層計(jì)算結(jié)果

2.2.2隧洞頂部1倍洞徑覆蓋巖厚計(jì)算結(jié)果

2.3 小結(jié)

1) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果

外覆土層巖性對(duì)鋼管應(yīng)力影響不大，自密實(shí)混凝土包裹范圍在1/2～2/3范圍內(nèi)鋼管應(yīng)力大于全包圍及常規(guī)復(fù)合結(jié)構(gòu)狀態(tài)，但是16 mm鋼管依舊可以滿足1.1 MPa內(nèi)水壓力要求；

2) 根據(jù)自密實(shí)混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

不加軟墊層或軟墊層敷設(shè)于自密實(shí)混凝土外側(cè)，承擔(dān)1.1 MPa內(nèi)水壓力，自密實(shí)混凝土?xí)_裂；

軟墊層敷設(shè)于自密實(shí)混凝土內(nèi)側(cè)，承擔(dān)1.1 MPa內(nèi)水壓力，半埋式自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)(1/3～2/3包裹范圍)混凝土不會(huì)開裂；

3) 根據(jù)盾構(gòu)管片變形計(jì)算結(jié)果

輸水管道外覆地層對(duì)盾構(gòu)管片變形影響較大，覆蓋1 d圍巖(模量2 GPa)可以保證盾構(gòu)管片變形滿足要求。

3 結(jié)語

本文基于分離式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，提出了一套盾構(gòu)輸水隧洞新型半埋式鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)方式為：盾構(gòu)管片為外襯，鋼管為內(nèi)襯，內(nèi)外襯間用不同填充程度的自密實(shí)混凝土，鋼管內(nèi)襯外表面設(shè)置軟墊層。這種結(jié)構(gòu)在保障外襯承擔(dān)外水土壓力，內(nèi)襯承擔(dān)高內(nèi)水壓力的同時(shí)，方便施工，且利于排水。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在一定條件下，半埋式自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)(1/3～2/3包裹范圍)可以有效承擔(dān)高內(nèi)水壓力，同時(shí)保障填充自密實(shí)混凝土不會(huì)開裂，說明這種結(jié)構(gòu)具有一定的可行性，可為高壓輸水隧洞設(shè)計(jì)提供參考。