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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

壓力隧洞新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)模擬試驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

在現(xiàn)有壓力隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于圓環(huán)形扁千斤頂技術(shù)的新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞新概念。實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想的關(guān)鍵設(shè)備是圓環(huán)形扁千斤頂，是一個(gè)用薄鋼板制成的中空?qǐng)A形壓力囊，利用液壓通過有限的徑向位移對(duì)隧洞混凝土襯砌層外部施加均布?jí)簯?yīng)力。室內(nèi)模擬試驗(yàn)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(duì)襯砌結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力與注水壓力呈線性關(guān)系，與理論結(jié)果一致。

壓力隧洞；預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌；模擬試驗(yàn)；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(yīng)力越來越大，理論和實(shí)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(kuò)展。傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)主要包括預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)和高壓灌漿式預(yù)應(yīng)力技術(shù)［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(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度和延展性低等缺點(diǎn)，且可充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，減少襯砌結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生，但均存在局限性。

錨索式預(yù)應(yīng)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(yù)壓應(yīng)力?，F(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞，一般是沿著襯砌層的環(huán)向采用預(yù)應(yīng)力鋼材施加預(yù)應(yīng)力。根據(jù)所使用的預(yù)應(yīng)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(shù)均不能充分利用圍巖的約束作用，通過預(yù)應(yīng)力鋼材施加預(yù)應(yīng)力，工程中不但耗費(fèi)大量的預(yù)應(yīng)力鋼材，同時(shí)由于在錨索張拉過程中出現(xiàn)摩擦力作用，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力不均勻。同時(shí)，耐久性和預(yù)應(yīng)力保持受到鋼絞線的耐腐蝕性制約。

20世紀(jì)20年代，G·布拉文［2］首先提出了在襯砌與圍巖之間預(yù)留一條專門的縫隙，用灌漿來形成預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)壓應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力是由襯砌和圍巖之間的壓力產(chǎn)生的。該技術(shù)可以充分利用圍巖的約束作用，節(jié)省大量預(yù)應(yīng)力鋼材，同時(shí)通過灌漿作用可以加固圍巖等。中國在1976年開始進(jìn)行灌漿式預(yù)應(yīng)力襯砌的試驗(yàn)研究工作［3-6］，目前灌漿式預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)也已經(jīng)列入規(guī)范［7］。但由于混凝土預(yù)壓應(yīng)力持續(xù)效果不明確，預(yù)應(yīng)力灌漿殘余應(yīng)力不易控制，同時(shí)對(duì)襯砌厚度、預(yù)留的灌漿間隙厚度要求嚴(yán)等方面的影響，該技術(shù)的應(yīng)用受到限制，影響了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

近年來，在對(duì)現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞工程進(jìn)行總結(jié)和研究的基礎(chǔ)上，提出了新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞的新概念，該技術(shù)的關(guān)鍵是在圍巖和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(duì)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(yù)壓應(yīng)力。

2 壓力隧洞新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)

壓力隧洞新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)的理論依據(jù)與灌漿式預(yù)應(yīng)力技術(shù)的理論依據(jù)類似，根據(jù)彈性力學(xué)厚壁圓筒承受內(nèi)外均布荷載時(shí)的應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)

在同時(shí)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(dāng)厚壁圓筒同時(shí)承受相同的內(nèi)、外均布荷載時(shí)，可以看到此種情況下環(huán)向應(yīng)力仍為壓應(yīng)力?；诖?，新型壓力隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)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(shí)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(dá)到預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)具有傳統(tǒng)灌漿式預(yù)應(yīng)力的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，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(jià)和施工難度，加快施工進(jìn)度，彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度和延展性低的缺點(diǎn)，充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(yù)加應(yīng)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(yīng)用前景。

3 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

由于新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌壓力隧洞技術(shù)是一種創(chuàng)新技術(shù)，需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證圓環(huán)形扁千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)、制作、安裝以及灌漿工藝控制和施加外預(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)，只能取一部分預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞開展模擬試驗(yàn)。室內(nèi)模擬試驗(yàn)采用厚鋼板模擬圍巖，將一定寬度兩段標(biāo)準(zhǔn)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(shè)有注水管、壓力表和排氣管等，通過對(duì)圓環(huán)形扁千斤頂壓水或壓漿對(duì)內(nèi)部襯砌混凝土施加預(yù)應(yīng)力，同時(shí)量測(cè)襯砌混凝土內(nèi)壁的變形量，檢查襯砌結(jié)構(gòu)的預(yù)加應(yīng)力效果。本文試驗(yàn)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(guān)本文試驗(yàn)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(yàn)參數(shù)

圖3 1#試驗(yàn)?zāi)M（單位：cm）

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 2#試驗(yàn)?zāi)M立面圖

4.1 1#模擬試驗(yàn)結(jié)果（1）預(yù)應(yīng)力響應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)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(fù)多次加壓和卸壓，試驗(yàn)結(jié)果表明重復(fù)性很好。然后將控制注水壓力繼續(xù)加大，當(dāng)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(dāng)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(yàn)。

圖5為環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力σθ與注水壓力P關(guān)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(yàn)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(shí)機(jī)相吻合。根據(jù)有限元計(jì)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(yù)壓應(yīng)力為線性變化，環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為注水壓力的3.5倍，與試驗(yàn)結(jié)果環(huán)向預(yù)壓應(yīng)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(yù)加應(yīng)力具有較好的線性關(guān)系。

（2）環(huán)向裂縫成因分析。針對(duì)在試驗(yàn)中襯砌混凝土內(nèi)壁出現(xiàn)的環(huán)向裂縫，進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)與室內(nèi)模擬試驗(yàn)的參數(shù)一致。取四分之一圓環(huán)作為研究對(duì)象，有限元模擬采用空間8節(jié)點(diǎn)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(shí)的軸向應(yīng)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(yīng)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(yīng)力為4.95 MPa，均大于模擬試驗(yàn)所采用混凝土材料的劈裂強(qiáng)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(shí)裂縫開度隨水壓力增大而繼續(xù)增大，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況相吻合。

圖5 環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力σθ與注水壓力P的關(guān)系曲線

圖6 軸向應(yīng)力分布

4.2 2#模擬試驗(yàn)結(jié)果2#模擬試驗(yàn)在用水泥漿施加外預(yù)應(yīng)力前，首先用水施加預(yù)應(yīng)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(jìn)入，當(dāng)排氣孔排出空氣-水-稀漿-稠漿時(shí)，關(guān)閉排氣閥門，開始逐漸加大注漿壓力直至設(shè)計(jì)壓力（1.8 MPa），并記錄下相應(yīng)的環(huán)向變形值，發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力σθ與注漿壓力P的關(guān)系曲線見圖7。

圖7 環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力σθ與注漿壓力P的關(guān)系曲線

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，注水壓力和環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為線性變化，環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為注水壓力的 6.8倍，與試驗(yàn)結(jié)果環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為注水壓力的7.1倍相接近，相差不到5%，模擬試驗(yàn)?zāi)芊从硨?shí)際工作條件，可以線性施加預(yù)加應(yīng)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(yàn)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(shí)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(huì)發(fā)生環(huán)向和徑向變形，與實(shí)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(xué)薄壁圓筒應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算公式，模擬圍巖在灌漿壓力作用下的環(huán)向應(yīng)力和變形計(jì)算公式如下：

式中：σθ為模擬圍巖的環(huán)向應(yīng)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(yàn)條件下（1.8 MPa灌漿壓力作用下）模擬圍巖的環(huán)向拉應(yīng)力最大達(dá)到135 MPa，模擬圍巖的環(huán)向變形5.1 mm。

對(duì)于施工期灌漿條件下，假定圍巖變形是彈性力學(xué)中無限大板孔內(nèi)受力變形的模擬。對(duì)于圍巖初始地應(yīng)力為q、圍巖內(nèi)摩擦角φ、圍巖黏結(jié)強(qiáng)度c的條件下，當(dāng)圓環(huán)形扁千斤頂內(nèi)施加灌漿壓力pt低于屈服強(qiáng)度時(shí)，圍巖處于彈性階段［8］，根據(jù)彈性力學(xué)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(jì)算，此時(shí)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(duì)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(jìn)行類比計(jì)算，計(jì)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(yàn)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(yàn)在圍巖變形計(jì)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(shù)的壓力隧洞新型預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)可以控制灌漿量和灌漿壓力，在理論上能達(dá)到預(yù)應(yīng)力襯砌效果，并可以省去預(yù)應(yīng)力鋼材，簡化了施工工藝，且不存在預(yù)應(yīng)力鋼材的銹蝕問題，更加安全可靠。

（2）模擬試驗(yàn)中，在工廠內(nèi)用1 mm厚的薄鋼板加工、制作成標(biāo)準(zhǔn)圓弧段，檢驗(yàn)合格后運(yùn)至工地現(xiàn)場(chǎng)安裝在圍巖和襯砌混凝土之間，各標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(duì)襯砌混凝土施加外預(yù)應(yīng)力的方法是可行的，其環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力與注水壓力呈正比例關(guān)系，可以達(dá)到預(yù)應(yīng)力效果。

（3）模擬試驗(yàn)中，由于圓環(huán)形扁千斤頂布置不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)環(huán)向裂縫，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等措施避免該現(xiàn)象發(fā)生。

（4）模擬試驗(yàn)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(shù)的新型壓力隧洞預(yù)應(yīng)力技術(shù)具有較好的適應(yīng)性。

［ 1］ 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)，2005.

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

［ 3］ 邵力群，肖豫，羅國強(qiáng).南陽回龍工程高壓隧洞預(yù)應(yīng)力灌漿技術(shù)［J］.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18（2）：9-11.

［ 4］ 趙長海.灌漿式預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌隧洞［J］.水利水電技術(shù)，1999（12）：65-69.

［ 5］ 盧兆康.高壓灌漿的數(shù)學(xué)模擬、灌漿試驗(yàn)及成果分析與應(yīng)用［J］.人民珠江，1994（1）:39-43.

［ 6］ 谷玲，宋宏偉.預(yù)應(yīng)力灌漿在高壓隧洞中的應(yīng)用［J］.東北水利水電，2006，263：11-13.

［ 7］ SL279-2002，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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

［ 9］ GB50218-94，工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)［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(zé)任編輯：王冰偉）

2014-03-28

中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（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