陸岸典,唐欣薇,嚴(yán)振瑞,麥勝文,姚廣亮

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司,廣州 511458; 2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣州 510640;3.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣州 510635)

0 引 言

無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力襯砌的工作原理是通過張拉鋼絞線,從而使襯砌獲得預(yù)壓力,以抵抗隧洞運(yùn)行期的內(nèi)水壓[1-3]。黃河小浪底排沙洞工程首次采用了該襯砌結(jié)構(gòu)型式[4],填補(bǔ)了國內(nèi)將該項技術(shù)運(yùn)用于水工結(jié)構(gòu)的空白。隨后,東江—深圳供水改造工程[5]、大伙房(二期)輸水隧洞[6]、吉林省中部城市引松供水工程[7-9]也采用了這種結(jié)構(gòu)型式。但上述工程均采用無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土單層襯砌,且工程長度僅為14.8 km,最大內(nèi)水壓力僅為1.2 MPa。

珠江三角洲水資源配置工程無粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)段長達(dá)28.4 km,其最大內(nèi)水壓力高達(dá)1.5 MPa[10],使得滿足高內(nèi)壓長距離盾構(gòu)隧洞工程要求的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)型式更加復(fù)雜。本工程埋深為40～60 m,且上方覆蓋深厚軟土,同時采用盾構(gòu)法穿越珠三角核心城市群和獅子洋。針對核心城市群深層地下調(diào)水工程,設(shè)計人員提出了“管片+雙層雙圈預(yù)應(yīng)力混凝土”的復(fù)合結(jié)構(gòu)型式。

對于厚度較大的襯砌,如果一次張拉施工完畢,則內(nèi)表面可能因軸向拉應(yīng)力過大進(jìn)而誘發(fā)環(huán)向裂縫的產(chǎn)生[11-12]。符志遠(yuǎn)[13]提出可采用分級張拉方法解決襯砌結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力過大的問題。小浪底排沙洞工程對分級分步張拉工序開展了原位試驗研究,從而確定2級3步張拉方案[14]。然而在該張拉順序下,本工程所采用的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)襯混凝土應(yīng)力變化歷程尚不明確,因此難以判斷在預(yù)應(yīng)力襯砌張拉過程中是否會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象而導(dǎo)致張拉裂縫。

如今國內(nèi)外主要依靠傳統(tǒng)人工操作以施加預(yù)應(yīng)力,不僅施工精度和質(zhì)量難以控制,而且工序復(fù)雜,施工成本較為昂貴。通常采用該方式進(jìn)行張拉施工的結(jié)構(gòu)最終不能達(dá)到其設(shè)計要求的預(yù)壓力[15]。因此,為了便于長距離施工,本文運(yùn)用了一套自動張拉系統(tǒng)。該自動控制系統(tǒng)在提高工作效率的同時,也可保證預(yù)應(yīng)力張拉荷載的精準(zhǔn)性。

本文基于珠江三角洲水資源配置工程,通過開展洞外地面足尺模型試驗,對預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯進(jìn)行了分級分步張拉,并對施工質(zhì)量提出量化管理標(biāo)準(zhǔn)。采用磁通量傳感器和混凝土應(yīng)變計監(jiān)測鋼絞線和混凝土的應(yīng)力,通過分析不同張拉階段下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),驗證了分級分步張拉工藝的有效性和張拉質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的可靠性,為無粘結(jié)環(huán)錨工程的預(yù)應(yīng)力張拉工藝提供借鑒。

1 試驗概況

珠江三角洲水資源配置工程作為世界上內(nèi)水壓力最高的長距離盾構(gòu)輸水隧洞工程,無論在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還是現(xiàn)場施工方面都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此,由廣東粵海珠三角供水公司資助,廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司牽頭,多方單位合作開展了環(huán)錨式預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)洞外足尺模型試驗。本試驗一方面為了驗證預(yù)應(yīng)力混凝土在高內(nèi)壓盾構(gòu)隧洞襯砌中應(yīng)用的可行性。另一方面旨在為工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考,積累施工經(jīng)驗,以確保該結(jié)構(gòu)在高內(nèi)水壓力作用下能滿足強(qiáng)度、抗裂和抗?jié)B要求。由于本文主要研究預(yù)應(yīng)力襯砌張拉過程中易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致張拉裂縫的質(zhì)量問題,因此僅針對預(yù)應(yīng)力張拉階段展開分析。

洞外地面足尺模型試驗段長為9.96 m,如圖1所示。外襯管片采用C55混凝土,其外徑為8.3 m,內(nèi)徑為7.5 m,幅寬為1.6 m。每環(huán)管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和4塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成,并利用2個M30斜螺栓連接相鄰塊。相鄰環(huán)之間錯縫角度約為150°;內(nèi)襯為預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆混凝土層,其厚度取550 mm,內(nèi)徑為6.4 m。

圖1 足尺模型試驗

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用高強(qiáng)低松馳無粘結(jié)1 860級8φs15.2@500鋼絞線,其公稱截面積為140 mm2,彈性模量為1.95×105MPa。鋼絞線沿環(huán)向進(jìn)行雙層雙圈布置,且每環(huán)沿隧洞軸向中心間距為500 mm。錨具槽對稱設(shè)置于隧洞拱底兩側(cè),其相對圓心夾角為90°。錨具采用HM15-8環(huán)錨變角張拉體系,錨固端和張拉端的包角為2×360°。采用8孔錨具,錨固端與張拉端分別設(shè)置了8個錨孔。其中,8根鋼絞線自錨固端始,沿襯砌結(jié)構(gòu)分內(nèi)外雙層(層間距為80 mm)環(huán)繞雙圈,最終進(jìn)入張拉端。

考慮到端部效應(yīng),選取中間位置(即9號錨具槽斷面)作為本次試驗的重點監(jiān)測斷面,測量內(nèi)容包括:

(1)鋼絞線有效應(yīng)力:沿內(nèi)外雙層各選一條鋼絞線進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,如圖2(a)所示。取錨具槽中心為0°位置,沿順時針方向每間隔90°布置一個磁通量傳感器,共計10個測點。磁通量傳感器采用歐維姆廠家的專用讀數(shù)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,其測量誤差為0.5%FS(Full Scale),工作溫度為-40～80 ℃,并可實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

圖2 監(jiān)測儀器安裝現(xiàn)場照片

(2)混凝土應(yīng)力:取左拱腰為0°位置,沿順時針方向每間隔45°布設(shè)一個應(yīng)變計(0°和45°位置除外),共計6個測點,如圖2(b)所示。埋入應(yīng)變計靈敏度為1×10-6,精度為0.1%FS,量程為±1 500×10-6,溫度范圍為-20～+80 ℃。

2 鋼絞線張拉方案

為避免在實際施工時,因應(yīng)力集中現(xiàn)象而誘發(fā)張拉裂縫,本文首先開展了無粘結(jié)鋼絞線的摩阻測試,然后在張拉加載試驗中對鋼絞線運(yùn)用了分級分步全自動張拉施工技術(shù)。在施工全過程以應(yīng)力控制為主,以各級應(yīng)力下鋼絞線實測伸長值為輔,并控制各級穩(wěn)壓時間。

2.1 鋼絞線摩擦系數(shù)

在進(jìn)行張拉試驗前,首先開展了鋼絞線摩阻測試。通過在鋼絞線一端張拉、另一端測量拉力的方法,計算出無粘結(jié)φs15.2單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線的μ(預(yù)應(yīng)力鋼絞線與孔道的摩擦系數(shù))和κ(考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦系數(shù))。

選取中間斷面的9號錨具槽鋼絞線作為研究對象,共進(jìn)行3級加載,實測結(jié)果見表1和表2。由于第1級荷載(15%σcon,σcon為張拉控制應(yīng)力)偏小,僅采用第2級(50%σcon)和第3級(90%σcon)測試結(jié)果用于確定2個摩擦系數(shù)的測試值,最終取平均值作為其建議值。由于靜摩阻效應(yīng),μ在低張拉荷載下較高張拉荷載下稍大,但采用HM錨具可有效減小其不利影響。

表1 無粘結(jié)鋼絞線κ測試值

表2 無粘結(jié)鋼絞線摩擦μ測試值

2.2 張拉荷載分級與自動控制

本工程預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制應(yīng)力取抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fptk的75%,即σcon=0.75fptk=1 395 MPa,根據(jù)其公稱截面積可計算各級荷載。荷載從0到103%σcon分2級加載(如表3所示),第1級張拉至50%σcon,第2級張拉至103%σcon。加載分級原則是任意相鄰錨具槽在加載過程中荷載偏差不得超過50%σcon。

表3 鋼絞線張拉加載分級

為解決在常規(guī)人工張拉施工中易出現(xiàn)的張拉荷載精度難以保證、工效較低等主要問題,本文采用HM錨固體系進(jìn)行全自動張拉,其施工安裝與操作讀數(shù)如圖3所示。現(xiàn)場張拉施工采用了YCWB250B輕量化千斤頂,其公稱張拉力為2 480 kN,公稱油壓為54 MPa,最小工作空間為1 270 mm×220 mm。

圖3 自動張拉系統(tǒng)

2.3 張拉質(zhì)量控制

張拉質(zhì)量控制指標(biāo)由3要素組成,分別是應(yīng)力、穩(wěn)壓時間以及鋼絞線伸長量,且所有要素均可以進(jìn)行量化管理。應(yīng)力(張拉荷載)控制是指按表3中張拉荷載對應(yīng)控制泵站油表示值。為了使張拉端荷載能夠有充足的時間傳遞至錨固端,確保預(yù)應(yīng)力的環(huán)向均勻性,在施工過程中應(yīng)當(dāng)控制每級張拉荷載的穩(wěn)壓時間。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程[16],當(dāng)采用應(yīng)力控制進(jìn)行施工時,應(yīng)當(dāng)同時復(fù)核鋼絞線的伸長量。由于鋼絞線彈性模量的理論值和實測值存在差異,當(dāng)伸長量的實測值與理論值的相對誤差>6%時,應(yīng)即刻中斷加載,等待發(fā)現(xiàn)原因并且采取解決措施以后,才能夠繼續(xù)開展施工作業(yè)。根據(jù)經(jīng)驗,在鋼絞線加載過程中千斤頂與偏轉(zhuǎn)器摩擦損失可取8.1%σcon。據(jù)此,采用試驗段鋼絞線實測摩擦系數(shù)計算出103%σcon對應(yīng)的鋼絞線伸長量理論值為272.6 mm。

2.4 張拉順序

圖4 襯砌模型張拉施工順序

3 不同張拉階段下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

隨著荷載百分比的增大,預(yù)應(yīng)力鋼絞線呈現(xiàn)拉應(yīng)力增大的趨勢,如圖5(a)所示。在(0～15%)σcon階段,5個位置的鋼絞線應(yīng)力均呈現(xiàn)較快速的線性增長,說明早期預(yù)緊力對鋼絞線應(yīng)力的影響較大;在(15%～100%)σcon階段,鋼絞線應(yīng)力線性增長率較第一階段有所減小,進(jìn)入平穩(wěn)增長階段;在(100%～103%)σcon階段,鋼絞線應(yīng)力變化較小,應(yīng)力增長均在4.0 kN以內(nèi)。

注:拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。

在張拉施工完成后,預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力最大值(133.1 kN)出現(xiàn)在0°內(nèi)層位置(即錨具槽處),應(yīng)力最小值(114.4 kN)出現(xiàn)在180°內(nèi)層位置(即離錨具槽最遠(yuǎn)處)。可見預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力自張拉端開始由兩側(cè)沿環(huán)向呈現(xiàn)遞減的規(guī)律性變化,到中間部位(即離錨具槽最遠(yuǎn)處)接近最低值,張拉應(yīng)力減小了約16.3%,小于同類工程35%～40%的損失值[17-18]。由于HM環(huán)錨張拉端的孔道曲率變化較小,且采用了同一千斤頂以實現(xiàn)雙向張拉,因此預(yù)應(yīng)力鋼絞線沿程應(yīng)力較為均勻。在同級張拉應(yīng)力下,0°和180°處內(nèi)外層鋼絞線的應(yīng)力差較大,最大值分別為14.3 kN和12.0 kN。其余位置內(nèi)外層鋼絞線的應(yīng)力差較小,均<5 kN。

此外,預(yù)應(yīng)力混凝土在張拉加載過程中呈現(xiàn)出全周收縮受壓的趨勢,如圖5(b)所示。張拉完成后,壓應(yīng)力沿環(huán)向分布較均勻,最大值(-11.9 MPa)出現(xiàn)在180°位置,說明拱腰處混凝土在張拉作用下受壓程度最大。

在第1—第5次張拉(即第1張拉步)階段,環(huán)向應(yīng)力有所增長,隨后波動較小。穩(wěn)定后各角度位置應(yīng)力水平基本保持一致,平均預(yù)壓應(yīng)力達(dá)-2.0 MPa。其中,第1、2、3次張拉位置分別位于7、9、11號錨具槽(均靠近9號錨具槽監(jiān)測斷面),因此導(dǎo)致混凝土環(huán)向應(yīng)力快速增長。上述3次張拉占整個張拉步環(huán)向應(yīng)力增量的96.0%～98.7%。在第6—第9次張拉(即第2張拉步)階段,環(huán)向應(yīng)力增長速度加快,隨后波動較小,平均預(yù)壓應(yīng)力達(dá)-7.4 MPa。其中,第7、8次張拉位置分別位于8、10號錨具槽(均靠近9號錨具槽監(jiān)測斷面),因此導(dǎo)致混凝土環(huán)向應(yīng)力快速增長。上述2次張拉占整個張拉步環(huán)向應(yīng)力增量的77.4%～82.5%。在第10—第14次張拉(即第3張拉步)階段,環(huán)向應(yīng)力持續(xù)增長,隨后波動較小,張拉完成后平均壓應(yīng)力達(dá)-10.9 MPa。其中,第11、12、13次張拉位置分別位于11、9、7號錨具槽(均靠近9號錨具槽監(jiān)測斷面),因此導(dǎo)致混凝土環(huán)向應(yīng)力快速增長。上述3次張拉占整個張拉步環(huán)向應(yīng)力增量的97.3%～99.6%。在3個張拉步共同影響下,混凝土環(huán)向應(yīng)力走勢呈現(xiàn)出明顯的3級臺階狀。

內(nèi)襯混凝土在張拉試驗過程中未出現(xiàn)明顯裂縫,僅13號錨具槽出現(xiàn)局部拉裂現(xiàn)象,導(dǎo)致該槽口鋼絞線伸長量實測值偏大,但仍然張拉至100%σcon。其主要原因是內(nèi)襯澆筑完畢時,混凝土便已存在缺陷。表明在混凝土澆筑質(zhì)量有保障的前提下,預(yù)應(yīng)力分級分步張拉工藝可滿足要求。

4 結(jié) 論

(1)無粘結(jié)鋼絞線摩擦系數(shù)較小,其沿程的預(yù)應(yīng)力損失約為16.3%,且內(nèi)外層的張拉應(yīng)力差均<20 kN,因此本工程采用雙層鋼絞線可保證較高的有效預(yù)應(yīng)力。

(2)內(nèi)襯預(yù)壓壓力沿環(huán)向分布均勻,量值可滿足工程抗拉要求,平均壓應(yīng)力達(dá)-10.9 MPa,且基本未出現(xiàn)張拉裂縫,因此本文所提出的分級分步張拉順序可取得理想張拉效果。

(3)提出了張拉質(zhì)量控制的3個指標(biāo),即應(yīng)力、鋼絞線伸長量與穩(wěn)壓時間。在張拉施工中嚴(yán)格控制3項指標(biāo),并運(yùn)用自動張拉技術(shù),可有效地保證張拉質(zhì)量。上述3項指標(biāo)均可進(jìn)行量化管理,簡單方便且易于實際操作。