薛 廣 文,曹 國 魯,蔡 俊 倫,李 曉 克

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣東 廣州 511458; 2.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院,河南 鄭州 450045)

0 引 言

環(huán)形預(yù)應(yīng)力技術(shù)已成功應(yīng)用于輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)[1-2],相關(guān)研究表明其錨具槽位置的布設(shè)[3]及成型方式對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及后期運(yùn)營維護(hù)都有明顯的影響。

目前,中國已有多個(gè)水工隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌采用組合模板方式成型錨具槽[4-5],預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉前對槽口內(nèi)壁混凝土進(jìn)行人工鑿毛處理[6-7]。錨具槽成槽形式以矩形口居多,比如中國首個(gè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土環(huán)形襯砌技術(shù)的清江隔河巖水電站引水隧洞[8]、采用環(huán)形有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌方案的南盤江天生橋一級水電站引水隧洞[9]、采用環(huán)錨無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌技術(shù)的黃河小浪底排沙洞[10-11],以及大伙房水庫輸水隧洞和南水北調(diào)中線穿黃隧洞[12-13]均采用矩形口,且它們在成型后均需拆除模板、槽壁鑿毛和殘?jiān)謇?。由于槽口?nèi)需布置環(huán)錨及錨固段鋼絞線,增加了混凝土回填施工難度,易造成回填混凝土不密實(shí)、與原混凝土界面粘結(jié)強(qiáng)度不足等缺陷,導(dǎo)致錨具槽部位出現(xiàn)滲油滲水等不利狀況,進(jìn)而影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[14-15]。同時(shí),拆除模板產(chǎn)生的廢棄聚苯乙烯泡沫板,槽壁鑿毛產(chǎn)生的混凝土垃圾,均會(huì)造成資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染。

針對目前水工隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)錨具槽成型方式存在的不足,在珠江三角洲水資源配置工程中,工程人員在現(xiàn)有錨具槽成型方式的基礎(chǔ)上,以超高韌性細(xì)石混凝土為原材料,制作了預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽。為研究襯砌結(jié)構(gòu)采用該錨具槽后的受力狀態(tài),本文對采用該錨具槽的預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌開展有限元模擬分析,并將其與采用常規(guī)錨具槽的預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌受力特征進(jìn)行對比。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程穿越珠三角核心城市群,輸水線路總長度113.2 km,在平均埋深40～60 m的地下建造[16-17]。干線工程單線盾構(gòu)隧洞長30.5 km,隧洞直徑6.4 m,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌厚度為0.55 m,混凝土強(qiáng)度等級為C50,內(nèi)槽口采用HM錨固體系[18]。設(shè)計(jì)最大內(nèi)水壓力1.3 MPa。由于隧洞內(nèi)水壓力高,目前國內(nèi)外尚無可直接借鑒的工程實(shí)例。為確保工程建設(shè)質(zhì)量及運(yùn)營安全,在工程現(xiàn)場開展了預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌1∶1真型試驗(yàn),真型試驗(yàn)場地布設(shè)如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌1∶1真型試驗(yàn)場地布設(shè)

2 錨具槽區(qū)域應(yīng)力分析

真型試驗(yàn)由管片外襯和預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯組成,鋼絞線采用雙層雙圈環(huán)形布置。管片外徑8.3 m,厚度0.4 m,共7環(huán),總長度11.2 m;預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯內(nèi)徑為6.4 m,襯砌厚度均為0.55 m,混凝土等級為C50。真型試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傞L度為9.96 m,由3段預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯和2條止水縫組成,預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯節(jié)段1和節(jié)段3長度均為2.55 m,節(jié)段2長度為4.8 m,止水縫厚度為0.03 m。相鄰錨具槽中心間距為0.5 m,在內(nèi)襯左、右兩側(cè)45°位置交替布置。錨具槽沿縱向分布如圖2所示,在節(jié)段2和節(jié)段3分別布設(shè)一個(gè)預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽,其余均采用常規(guī)錨具槽。

圖2 錨具槽沿縱向布置

2.1 有限元模型

對真型試驗(yàn)節(jié)段2部分建立三維有限元模型,整體建模在ORTZ柱坐標(biāo)系下進(jìn)行,規(guī)定隧洞縱向垂直向外為Z軸正方向,R和T分別為隧洞徑向和切線方向,坐標(biāo)軸原點(diǎn)O位于縱向坐標(biāo)為0的圓心處?；炷两Y(jié)構(gòu)采用SOLID65單元進(jìn)行模擬,如圖3～4所示。鋼絞線采用LINK8單元進(jìn)行模擬,如圖5所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性劃分單元網(wǎng)格,對關(guān)鍵部位和截面突變部位進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚怼?/p>

圖3 1∶1真型試驗(yàn)三維有限元模型

圖5 鋼絞線三維有限元模型

為明確錨具槽區(qū)域應(yīng)力狀態(tài),規(guī)定襯砌底部中垂線所在的位置為0°,沿襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°至襯砌腰部位置,在此范圍內(nèi)分析錨具槽的應(yīng)力分布規(guī)律。

2.2 常規(guī)錨具槽區(qū)域應(yīng)力分析

鋼絞線張拉完成且微膨脹混凝土回填后,常規(guī)錨具槽環(huán)向應(yīng)力分布如圖6～9所示。

圖6 張拉完成后常規(guī)錨具槽混凝土襯砌環(huán)向應(yīng)力

由圖6和圖7可知,鋼絞線張拉完成階段后,混凝土襯砌絕大部分區(qū)域?yàn)槭軌簠^(qū),但在錨具槽槽口端部及行車道頂部存在局部受拉區(qū),錨具槽尚未回填時(shí)對混凝土襯砌整體受力不利。由圖8和圖9可知,微膨脹混凝土回填后,錨具槽槽口端部拉應(yīng)力集中現(xiàn)象消失,僅在行車道頂部存在局部受拉區(qū)。

圖7 張拉完成后常規(guī)錨具槽環(huán)向應(yīng)力

圖8 常規(guī)錨具槽回填后混凝土襯砌環(huán)向應(yīng)力

圖9 回填后常規(guī)錨具槽區(qū)域環(huán)向應(yīng)力

2.3 免拆模板錨具槽區(qū)域應(yīng)力分析

鋼絞線張拉完成且微膨脹混凝土回填后,免拆模板錨具槽環(huán)向應(yīng)力分布如圖10～15所示。

圖10 免拆模板錨具槽張拉完成混凝土襯砌環(huán)向應(yīng)力

由圖10和圖11可知,鋼絞線張拉完成后,采用免拆模板錨具槽的混凝土襯砌絕大部分區(qū)域?yàn)槭軌簠^(qū),僅在錨具槽槽口端部及行車道頂部存在局部受拉區(qū),錨具槽尚未回填時(shí)對混凝土襯砌整體受力不利。

圖11 張拉完成免拆模板錨具槽區(qū)域環(huán)向應(yīng)力

由圖12和圖13可知,微膨脹混凝土回填后,免拆模板錨具槽口端部拉應(yīng)力集中現(xiàn)象消失,僅在行車道頂部存在局部受拉區(qū)。此時(shí),最大環(huán)向壓應(yīng)力位于免拆模板錨具槽的角部位置,表明采用免拆模板錨具槽可提高錨具槽角部的壓應(yīng)力,有效避免混凝土襯砌沿著錨具槽角部開裂。

圖12 免拆模板錨具槽回填后混凝土襯砌環(huán)向應(yīng)力

圖13 回填后免拆模板錨具槽區(qū)域環(huán)向應(yīng)力

由圖14和圖15可知,免拆模板錨具槽局部有較大的拉應(yīng)力,其位于鋼絞線穿越錨具槽的位置,原因是采用節(jié)點(diǎn)耦合方式建立有限元模型,導(dǎo)致張拉過程中鋼絞線與附近混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力集中現(xiàn)象。免拆模板錨具槽兩端模板拉應(yīng)力峰值約為1.2 MPa,其余均為壓應(yīng)力。材料試驗(yàn)表明:對于超高韌性細(xì)石混凝土,其28 d的抗拉強(qiáng)度為4.71 MPa,90 d的抗拉強(qiáng)度為5.68 MPa,故預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽處在安全狀態(tài)。

圖14 張拉完成免拆模板錨具槽局部環(huán)向應(yīng)力(單位:Pa)

圖15 回填后免拆模板錨具槽局部環(huán)向應(yīng)力(單位:Pa)

2.4 錨具槽區(qū)域應(yīng)力值對比

整理分析常規(guī)錨具槽和變寬度免拆模板錨具槽有限元模擬計(jì)算結(jié)果,如表1所列。

表1 混凝土襯砌錨具槽區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)

由表1可知,預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽角部存在較大的環(huán)向壓應(yīng)力,可避免錨具槽槽壁因拉應(yīng)力集中而沿角部開裂。有限元分析結(jié)果表明:常規(guī)錨具槽底模板的內(nèi)外表面應(yīng)力存在較大應(yīng)力差,有起拱的趨勢;預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽呈內(nèi)大外小倒置漏斗形狀,其免拆模板對微膨脹混凝土的約束明顯增加,進(jìn)而限制了底模板的膨脹起拱,提高了回填混凝土與原混凝土襯砌的粘結(jié)性能。

2.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬得到的預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽區(qū)域應(yīng)力狀態(tài),在錨具槽兩側(cè)及端部的混凝土襯砌內(nèi)布設(shè)15個(gè)應(yīng)變計(jì),監(jiān)測錨具槽周邊混凝土應(yīng)力變化規(guī)律,應(yīng)變計(jì)布置位置及編號如圖16所示。

在預(yù)應(yīng)力張拉及微膨脹混凝土回填階段,對錨具槽周邊區(qū)域混凝土應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測,混凝土實(shí)測應(yīng)力值和有限元計(jì)算應(yīng)力值如表2所列。

表2 預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌實(shí)測應(yīng)力值與計(jì)算應(yīng)力值

由表2可知,1號、5～8號、14號應(yīng)變計(jì)測試部位混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力,且1號、6號、8號、14號處的拉應(yīng)力足以使混凝土襯砌產(chǎn)生裂縫,但是在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁⑽窗l(fā)現(xiàn)這些位置出現(xiàn)裂縫,且在充水加壓試驗(yàn)后,用裂縫探測儀檢測,這些位置處仍然未發(fā)現(xiàn)裂縫,表明該位置應(yīng)變計(jì)實(shí)測值有誤,為此將在后期分析其測量值偏差較大的原因。其余位置應(yīng)變計(jì)實(shí)測應(yīng)力與有限元計(jì)算應(yīng)力吻合較好,驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性和有效性。

3 結(jié) 論

(1) 預(yù)制裝配式免拆模板錨具槽呈內(nèi)大外小倒置漏斗形狀,可有效增強(qiáng)免拆模板對微膨脹混凝土的約束,限制底模板起拱趨勢,提高回填混凝土與原混凝土襯砌的粘結(jié)性能。

(2) 有限元模擬結(jié)果表明,裝配式免拆模板錨具槽不僅可提高混凝土襯砌的環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力效果,也可增加錨具槽角部的環(huán)向壓應(yīng)力,避免混凝土襯砌沿錨具槽角部開裂。

(3) 裝配式免拆模板錨具槽在提高施工工效,降低工程成本,避免施工過程中產(chǎn)生廢棄混凝土和廢棄聚苯乙烯泡沫板垃圾,較常規(guī)錨具槽具有明顯的優(yōu)勢,可推廣應(yīng)用于類似工程。