輸水隧洞襯砌預(yù)應(yīng)力鋼絞線布設(shè)、找形和定位技術(shù)研究

陳震, 陳宇光, 薛廣文, 姚廣亮, 張愚卿, 趙順波

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 河南 鄭州 450045; 2.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣東 廣州 510000; 3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 510635; 4.華北水利水電大學(xué) 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 鄭州 450046)

在壓力輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌中,環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線的準確定位關(guān)系到張拉施工的安全性和施加預(yù)應(yīng)力的實際效果,最終影響隧洞襯砌的受力性能和隧洞的安全運行情況[1-2]。因此,輸水隧洞混凝土襯砌預(yù)應(yīng)力鋼絞線布設(shè)、找形和定位技術(shù),是一項關(guān)乎工程設(shè)計目標能否順利達成的關(guān)鍵技術(shù)研究課題。

目前,對于壓力輸水隧洞襯砌預(yù)應(yīng)力鋼絞線的施工找形與定位研究尚不多見?？山梃b的結(jié)構(gòu)找形設(shè)計方法多源自索膜結(jié)構(gòu)的找形技術(shù),常用的數(shù)值方法主要包括:有限元法[3-6]、力密度法[7-9]、動力松弛法[10-12]等。但索膜結(jié)構(gòu)的索膜與預(yù)應(yīng)力鋼絞線存在明顯差異,前者屬于柔性材料,而后者則具有一定的彎曲剛度。已建隧洞襯砌工程多是根據(jù)以往工程經(jīng)驗或者通過洞內(nèi)施工試驗段進行成形工藝試驗,在初步確定鋼絞線的定位點的基礎(chǔ)上進行觀測調(diào)整,最后確定工程施工正式采用的支架形式及其定位點。因為各工程具體情況(如隧洞成洞方法、隧洞洞徑、鋼絞線層數(shù)和圈數(shù)等)的差異,所積累的預(yù)應(yīng)力鋼絞線找形和定位工程經(jīng)驗,在推廣應(yīng)用于其他工程時具有明顯的局限性。規(guī)范《無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 92—2016)[13]規(guī)定了直線或曲線形預(yù)應(yīng)力鋼絞線的定位支撐鋼筋間距和束形控制點的設(shè)計位置允許偏差。在隧洞襯砌預(yù)應(yīng)力鋼絞線施工定位時,依據(jù)此標準定位將致使定位支架過于密集,且束形控制點的定位允許偏差不能滿足環(huán)形鋼絞線的線形控制要求。

隨著壓力輸水隧洞環(huán)錨無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的推廣應(yīng)用,現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力鋼絞線找形定位經(jīng)驗?zāi)Ｊ?不能滿足預(yù)應(yīng)力鋼絞線線形精準控制的設(shè)計要求。特別是對于高內(nèi)水壓輸水隧洞襯砌,預(yù)應(yīng)力鋼絞線的線形和定位精度控制,直接關(guān)系到襯砌預(yù)應(yīng)力設(shè)計目標能否達成和隧洞能否安全運行。從設(shè)計層面上研究預(yù)應(yīng)力鋼絞線的參數(shù)化線形定位方法,為工程施工達到預(yù)應(yīng)力鋼絞線線形準確定位提供計算依據(jù),是一項重要的理論和技術(shù)研究課題。

珠江三角洲水資源配置工程穿越該區(qū)域核心城市群,輸水線路總長度為113.2 km,位于平均縱深40.00～60.00 m的地下空間。該工程具有洞徑大(內(nèi)徑為6.40 m)、內(nèi)水壓力高(設(shè)計最大內(nèi)水壓力為1.3 MPa)的特點,隧洞襯砌厚度為0.55 m,采用環(huán)形無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,雙層雙圈環(huán)錨無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的內(nèi)層半徑為3.57 m、外層半徑為3.65 m,內(nèi)外層鋼絞線間距為80 mm。無論是該工程的規(guī)模還是隧洞襯砌鋼絞線施工定位技術(shù)的難度都是前所未有的。為此,結(jié)合珠江三角洲水資源配置工程高內(nèi)水壓輸水隧洞的成洞方法(鉆爆法和盾構(gòu)法)及預(yù)應(yīng)力鋼絞線雙層雙圈布設(shè)需求,基于有限元軟件ANSYS的APDL語言開發(fā)自動找形命令,自動求解鋼絞線最佳線形,研究了在自重作用下環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼絞線的找形方法。同時,研發(fā)鋼絞線的定位支架形式及其安裝方法,實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線在隧洞襯砌中的精準定位。

1 鋼絞線定位技術(shù)

1.1 鋼絞線定位安裝的方式

以與錨具槽環(huán)錨錨固對應(yīng)的無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線為單位,其定位安裝一般可分為以下兩種:

1)緊密排列式,即鋼絞線束按同環(huán)緊密排列，鋼絞線間不留間隔,如圖1所示。由此排列的鋼絞線總寬度為鋼絞線PE套的外徑之和。隨著鋼絞線束的鋼鉸線根數(shù)增加,由鋼絞線緊密排列形成的環(huán)面寬度也隨之增加。鋼絞線束如按雙層雙圈布設(shè),則會增加層間混凝土澆筑的難度,影響混凝土的密實性。因而,襯砌混凝土需具有較好的流動性和良好的體積穩(wěn)定性,以保證其在雙層鋼絞線環(huán)面之間填充密實。

圖1 鋼絞線緊密式定位安裝示意圖

2)分離排列式,即鋼絞線束各根鋼絞線在同環(huán)處可按其在環(huán)錨上穿設(shè)的孔位留有一定間隙,如圖2所示。其優(yōu)點是允許襯砌混凝土較小粒徑的骨料和砂漿通過鋼絞線間隙填充到雙層環(huán)面中間,降低了襯砌混凝土澆筑質(zhì)量控制的難度。不足之處為:該定位安裝方式將增大定位支架的尺寸,加大了定位精確控制的難度。

圖2 鋼絞線分離式定位安裝示意圖

1.2 鋼絞線定位支架的類型

根據(jù)環(huán)形無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線定位安裝過程中的受力變形規(guī)律,定位支架分為2種:①必設(shè)定位支架。其分別位于鋼絞線環(huán)的頂點處、鋼絞線進入錨具槽之前的半徑轉(zhuǎn)換點處和鋼絞線進入錨具槽兩端面的位置。以上各位置分別設(shè)有定位支架Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,如圖1和圖2所示。定位支架Ⅰ所在位置是鋼絞線自重作用的平衡吊點和首要定位點。定位支架Ⅱ決定了鋼絞線入槽前的平順連接,對襯砌混凝土的受力性能具有明顯影響。定位支架Ⅲ確定了入槽鋼絞線與環(huán)錨錨孔的對應(yīng)穿設(shè)關(guān)系,當采用預(yù)制裝配式免拆模板成型錨具槽時,鋼絞線可通過錨具槽端模板的預(yù)留孔定位。②可調(diào)整布設(shè)定位支架。其位于鋼絞線環(huán)的其他各點,如圖1和圖2所示。各定位支架的布設(shè)受鋼絞線束剛度和定位精度的影響,需要通過找形分析確定。

根據(jù)鋼絞線定位安裝方式的不同,基于定位支架輕量化且便于準確安裝和操作的原則,鋼絞線定位支架可設(shè)計為4種類型:

1)F形定位支架。其由嵌入式徑向拉桿和沿隧道軸向支桿組成,如圖3所示，適用于每層鋼絞線不超過6根的情況,為便于混凝土澆筑并保證鋼絞線與混凝土共同工作,鋼絞線并排寬度大于100 mm。對于鉆爆法隧洞,可采用錨桿方式固定徑向拉桿;對于盾構(gòu)隧洞,可在管片上預(yù)埋螺栓孔連接徑向拉桿。當支架剛度不足時,可采用輔助定位鋼筋進行固定。輔助定位鋼筋應(yīng)與襯砌內(nèi)配置的非預(yù)應(yīng)力鋼筋相互補充。

圖3 F形定位支架及其固定示意圖

2)井形定位支架。該支架由嵌入鉆爆圍巖或盾構(gòu)管片的單根或兩根徑向拉桿和沿隧道軸向的支桿組成,如圖4所示,適用于每層鋼絞線根數(shù)為8根及以上的情況。為便于混凝土澆筑并保證鋼絞線與混凝土共同工作,可將同層鋼絞線分隔為2～3束,并控制鋼絞線并排寬度不大于100 mm。井形定位支架與上述F形定位支架可用于必設(shè)位置和其他可調(diào)整布設(shè)點處。

圖4 井形定位支架及其固定示意圖

3)轉(zhuǎn)折點支架。該支架由雙立桿和雙橫桿組成,如圖5所示,主要是在鋼絞線轉(zhuǎn)折點處起到拉結(jié)固定作用,以保證鋼絞線從大圓環(huán)向小圓環(huán)轉(zhuǎn)變并進入槽口段的平順性。

圖5 轉(zhuǎn)折點定位支架示意圖

4)槽口定位支架。該支架由支托錨具槽底模板的定位托架、固定錨具槽側(cè)模板和端模板的定位徑向鋼筋構(gòu)成,如圖6所示。錨具槽模板的準確定位,關(guān)系到鋼絞線入槽線形的平順度及其與環(huán)錨錨孔的接入精度,最終影響鋼絞線張拉精度和預(yù)應(yīng)力損失情況。采用預(yù)制裝配整體式免拆模板成型槽口,為槽口定位支架布設(shè)提供了可直接焊接和綁定的條件,從而降低了槽口成型出現(xiàn)偏位、槽壁混凝土不密實等缺陷的幾率。當采用其他方式成型槽口且需要拆除施工模板時,需要在槽口定位支架與模板之間考慮布設(shè)便于拆除的連接扣。

圖6 錨具槽槽口位置定位支架示意圖

2 鋼絞線的布設(shè)、找形和優(yōu)化方法

2.1 有限元模型

輸水隧洞作為長距離調(diào)水工程的重要組成部分,通?？刹捎妙A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)類型。鋼絞線計算線形采用鋼絞線設(shè)計線形。采用國際通用的有限元分析軟件ANSYS進行有限元模擬,建立的有限元模型如圖7所示。模型構(gòu)建采用先建立內(nèi)、外環(huán)圓弧形鋼絞線,后建立過渡弧段鋼絞線的方式。對于鋼絞線雙圈部分采用雙倍鋼絞線截面,在彎起過渡弧和單截面處采用單鋼絞線截面。鋼絞線采用梁單元Beam 189,梁截面為實心圓形截面,鋼絞線雙倍截面處半徑取值為15.59 mm,單截面處半徑取值為7.80 mm。鋼絞線性能參數(shù)[14]為:單根直徑為15.2 mm，鋼絞線的公稱截面面積為140 mm2,密度為7.85 g/cm3，彈性模量為1.95×105N/mm2。

圖7 鋼絞線計算模型

鋼絞線有限元模型以頂點為0°,逆時針每5°為一個研究單元,共劃分為72個單元。鋼絞線穿入錨具槽時,孔對其具有約束作用,鋼絞線在錨具槽內(nèi)為直線線形,在自重作用下線形基本不變,所以不對錨具槽內(nèi)鋼絞線進行找形研究。

針對鋼絞線,先建立關(guān)鍵研究點,通過關(guān)鍵點連接成線,最后生成鋼絞線計算模型,便于后期自動找形APDL語言命令運行。

需求解的邊界條件為：各關(guān)鍵點約束徑向位移;鋼絞線過渡弧彎起點和過渡弧中間點約束徑向位移;錨具槽處鋼絞線在錨具槽穿孔處約束徑向和環(huán)向位移。

模型荷載為自重。輸出結(jié)果為柱坐標系下徑向位移,單位為m。其計算精度控制在5 mm內(nèi)。

2.2 有限元模擬找形方法

在上述計算模型條件下,通過開發(fā)APDL自動找形命令,實現(xiàn)鋼絞線的自動找形。自動找形流程如圖8所示。

圖8 鋼絞線找形計算步驟

首先計算鋼絞線有限元模型在全約束狀態(tài)下整體徑向變形(取鋼絞線徑向位移最大值),保證線形平順、徑向變形滿足5 mm的控制要求。隨后,去除底部支架,如果變形滿足控制要求,則去除該支架，如果不滿足則予以保留。此后,向上去除距底部左右5°的兩支架,再次計算,重復(fù)以上操作。隨后，再向上去除底部左右10°的兩支架，重復(fù)以上操作。依此反復(fù),通過程序自動計算,最終得出自動找形合理結(jié)果。

2.3 找形定位支架的優(yōu)化

在調(diào)試APDL語言過程中發(fā)現(xiàn),控制變形隨著每次計算的完成發(fā)生相應(yīng)的改變,即定位支架的數(shù)量、間距、位置由控制變形的變化規(guī)律決定,與鋼絞線在自重狀態(tài)下的理論變形規(guī)律有關(guān)。結(jié)合有限元計算結(jié)果分析,此處控制變形的取值采用控制精度誤差以內(nèi)的常數(shù)值,即常數(shù)逼近。以此調(diào)整自動找形定位支架的位置、間距和數(shù)量。優(yōu)化控制變形取值后,臨時定位支架分布情況如圖9所示。

圖9 臨時定位支架分布示意圖

上述找形方法確定的臨時定位支架滿足線形控制精度要求的最少支架數(shù)。在工程施工時,為滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，定位支架數(shù)應(yīng)進一步優(yōu)化。通過系列計算分析表明,當隧洞襯砌鋼絞線的曲率隨隧洞洞徑的變化而變化時,曲率在一定范圍內(nèi)的鋼絞線可共用同一種定位形式。為解決定位支架分布問題,本文提出了3個支架優(yōu)化點,進一步優(yōu)化臨時定位支架的分布,最終優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。

圖10 定位支架的最終布置和鋼絞線徑向變形云圖

2.3.1 定位支架最大間距

上述找形方法存在的主要問題是部分相鄰支架間距過大，這導(dǎo)致鋼絞線部分較大區(qū)域處于無約束狀態(tài)。上述方法確定的支架雖滿足鋼絞線徑向變形的控制要求,但對鋼絞線在其后續(xù)各項施工工序(同節(jié)襯砌鋼絞線定位、內(nèi)層鋼筋成型、襯砌混凝土澆筑等)過程中的抗外界因素干擾能力的保證不利。為此,對臨時定位支架新增最佳間距定位支架,統(tǒng)計新增定位支架與相鄰定位支架最大間距的變化規(guī)律。結(jié)果表明:對于不同曲率的鋼絞線,新增定位支架平均控制精度(取最大徑向位移絕對值的平均值)總體更小,且兩支架最大夾角不應(yīng)大于60°,結(jié)果見表1。

表1 不同洞徑下新增定位支架的最大夾角

2.3.2 內(nèi)外層鋼絞線彎起點支架的歸并

在實際工程中,內(nèi)外層鋼絞線彎起處定位支架間距較近,一般可選擇內(nèi)起彎點支架或外起彎點支架同時起到內(nèi)外層鋼絞線定位的作用。研究表明,外起彎點定位支架的歸并效果總體上優(yōu)于內(nèi)起彎點定位支架,且兩者與未歸并相比精度改善有限。因此,單層雙圈鋼絞線定位優(yōu)化的形式可參考雙層雙圈的形式,結(jié)果見表2。

2.3.3 定位支架最小間距

在上述優(yōu)化完成后,存在的另一個問題是定位支架過于密集。在輸水隧洞襯砌中，鋼絞線兩相鄰定位支架間距如果采用規(guī)范值[13],會使定位支架較為密集,所以一般取大于或等于規(guī)范值。據(jù)此,推導(dǎo)出如下兩定位支架最小夾角公式:

(1)

式中:α為兩定位支架最小夾角,(°);L為兩定位支架間距規(guī)范值,m;R為預(yù)應(yīng)力鋼絞線的曲率半徑,m。

根據(jù)上述定位支架的最小間距,對歸并后的模型進行優(yōu)化,結(jié)果表明:在去除相應(yīng)的定位支架后,最終定位支架優(yōu)化布置的平均控制精度與歸并的平均控制精度總體相差不大,驗證了公式(1)的有效性。支座布設(shè)優(yōu)化結(jié)果見表3。

表2 不同洞徑下彎起點定位支架的歸并

表3 定位支架優(yōu)化結(jié)果與控制精度

綜合上述分析,以頂點為0°展開定位點對稱布置(按順時針180°):一類定位形式的定位點分別在0°、40°、85°、145°處;二類定位形式的定位點分別在0°、35°、70°、105°、150°處;三類定位形式的定位點分別在0°、20°、45°、75°、110°、155°處;四類定位形式的定位點分別在0°、20°、40°、60°、85°、115°、160°處。

2.4 線形定位點的影響因素分析

2.4.1 鋼絞線直徑的影響

當鋼絞線直徑不同時,可采用同一種定位形式,即線形定位點位置分布相同,但粗鋼絞線線形平均控制精度要求更高,結(jié)果見表4。

表4 鋼絞線直徑對最終控制精度的影響

2.4.2 錨具槽長度的影響

錨具槽長度對鋼絞線的影響主要體現(xiàn)在鋼絞線自彎起處至錨具槽間過渡弧的長度上。過渡弧長增加,控制精度有所降低。所以在過渡弧部位可適當增加輔助定位支架。

3 結(jié)論

1)根據(jù)輸水隧洞襯砌預(yù)應(yīng)力鋼絞線的定位需求,鋼絞線定位安裝方式可采用緊密排列式或分離排列式,鋼絞線定位支架安裝位置可區(qū)分為必設(shè)位置和可調(diào)整布設(shè)位置。

2)鋼絞線定位支架可按照緊密排列寬度不超過100 mm進行設(shè)計,一般可為F形和井形。在鋼絞線由襯砌環(huán)向錨具槽轉(zhuǎn)折的斷面應(yīng)布設(shè)轉(zhuǎn)折支架,在錨具槽位置應(yīng)布置托架和固定支架。采用預(yù)制裝配整體式免拆模板錨具槽時,錨具槽兩端的鋼絞線穿入孔可起到鋼絞線的精確定位作用。

3)采用有限元方法建立了鋼絞線找形數(shù)值模型,結(jié)合找形計算流程開發(fā)了APDL自動找形命令,提出了鋼絞線找形方法,分析了鋼絞線定位支架間距對定位精度的影響,提出了不同洞徑的隧道混凝土襯砌鋼絞線的四類定位支架布置方案,明確了鋼絞線直徑和錨具槽長度對鋼絞線線形定位點布設(shè)的影響規(guī)律,提升了鋼絞線線形的定位精準度。