六边形混凝土预制管片衬砌设计.pdf

水利水电技术第4 2卷2 0 1 1 年第 6期 六边形混凝土预制管片衬砌设计 梁 晋 平 日 。 f ( 山西省万家寨引黄工程管理局，山西 太原0 3 0 0 1 2 ) 摘要：山西省万家寨引黄一期工程 1 5 7 k m隧洞，有 1 2 2 k m采用 6台双护盾全断面掘进机施工。本 文就总干线 6 一 7 一 8 隧洞采用双护盾全断面掘进机施工中，隧洞衬砌 系统设计、六边形混凝土预制 管片初步设计等进行 了总结分析，介绍 了六边形混凝土管片的 内力、应力计算方法、计算参数选取和 混凝土等级和钢筋配制参数确 定，对类似工程有一定借鉴作用。 关键词：双护盾全断面掘进机 ；六边形管片；衬砌设计 ；山西省万家寨引黄工程 中图分 类号 ：T V 6 7 2 ． 2 ( 2 2 5 ) 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 — 0 8 6 0 ( 2 O l i ) 0 6 — 0 0 1 5 — 0 3 De s i g n o f he xa g o n— pr e c a s t c o nc r e t e l i ni n g s e g m e nt L I ANG J i n p i n g ( S h a n x i Wa n j i a z h a i Y e l l o w R i v e r D i v e r s i o n P e e t A d m i n i s t r a t i v e B u r e a u ， T a i y u a n 0 3 0 0 1 2 ， S h a n x i ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e p h a s e I o f Wa n j i a z h a i Y e l l o w R i v e r D i v e r s i o n P r o j e c t i n S h a n x i P r o v i n c e i n c l u d e s t u n n e l s w i t h t h e t o t a l l e n g t h o f 1 5 7 k m ；a mo n g wh i c h 1 2 2 k m t u n n e l s a r e e x c a v a t e d w i t h s i x d o u b l e — s h i e l d T B Ms ． T h e d e s i g n o f t h e l i n i n g s y s t e m f o r t h e t u n — n e l s ，pr e l i mi n a r y d e s i g n o f t h e h e x a g o n— p r e c a s t c o n c r e t e l i n i n g s e g me n t ，e t e ．f o r t he c o ns t r u c t i o n s o f t h e No ．6，No ． 7 a nd No ． 8 t u n n e l s o f t h e m a i n l i n e o f t h e p r ~ e c t e x c a v a t e d b y t h e d o u b l e — s h i e l d T B Ms a r e s u mm a ri z e d a n d a n a l y z e d h e r e i n ， a n d t h e n t h e me t ho d f o r t he c a l c ul a t i o n o n t h e i nt e r n a l f o r c e a nd s t r e s s o f t he he x a g o n— pr e c a s t c o nc r e t e l i n i n g s e g me n t ，t h e s e l e c t i o n o f t h e c a l — c u l a t i o n pa r a me t e r s．t h e d e t e r mi n a t i o n o n t h e p a r a n mt e r s o f t h e c o nc r e t e g r a d e a n d t h e r e i n f o r c e me nt a r e a n a l y z e d a s we l 1 ．Al l o f t h e s e c a n p r o v i d e a c e r t a i n r e f e r e n e e f o r t h e s i m i l a r p r o j e c t ． K e y w o r d s ： d o u b l e — s h i e l d T B M； h e x a g o n — p r e c a s t l i n i n g s e g me n t ； d e s i g n 0 f l i n i n g ； Wa n j i a z h a i Y e l l o w R i v e r D i v e r s i o n P r ~ e e t i n S b a n x j Pr o v i nc e 1 工程概况 山西省万家寨引黄工程位于山西省西北部，由万家 寨水利枢纽 、总干线 、南干线 、联接段和北干线等部分 组成。输水线路全长 4 5 1 ． 9 k m，其中总干线 4 4 ． 4 k m、 南干线 1 0 2 k m、联接段 1 3 8 ． 6 k m、 匕 干线 1 6 6 ． 9 k a n 。 引黄工程分为两期建设 ，一期工程包括万家寨水 利枢纽 、总干线 、南干线 和联 接段 ，输 水线路总长 2 8 5 k m，其中输水隧洞 1 5 7 ． 4 k m、P C C P输水管 4 3 k m、 天然河道 8 1 ． 2 k m。1 5 7 k m隧洞中选择隧洞长 、埋深 大 、工程地质条件复杂的 8条隧洞计 1 2 2 k m采用掘 进速度较快 、能边掘进边衬砌的 6台双护盾全断面掘 进机施工 ，创造了 T B M月成洞 1 8 2 1 ． 5 1 m的同类断 面世界新记录和 日掘进 1 1 3 m 的世界最好成绩。 为了适应 T B M快速掘进的需要 ，山西省万家寨 引黄一期_ [ 程 T B M施工的 1 2 2 k m隧洞全部采用“ 蜂 窝状” 六边形混凝土预制管片衬砌 ( 见图 1 ) 。除总干 线 6 一7 一8 隧洞外 ，管片接缝问全部设橡胶止水 条，管片接缝用一种特殊混凝土封闭 ，管片与围岩间 进行豆砾石同填灌浆充填。 2六边形混凝土预制管片衬砌系统 2 ． 1 六边形混凝土预制管片衬砌 根据地质情况，设计有三种类型的管片，不同类 收稿 日期 ：2 0 l 1 — 0 1 — 2 5 作者简介 ：梁晋平( 1 9 6 0 一 ) ，男，高级T程师，副总] _ 程 师，质量监 督处处长。 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梁晋平∥六边形混凝土预制管片衬砌设计 型管片的设计遵循 了这样 一个逻 辑 ：地质条件决定 围岩加 到衬砌 上的荷载 ，随之围岩荷载又控制 了衬砌的结构稳定及其相应 的衬 砌加固需求。也就是不同地质条 件中的隧洞需要用不 同类型的管 片去 支护 。 ⋯ 当地质条件发 生变化时 ( 从 硬岩变 到软岩或土层 ) ，衬砌 管 片类型应 当更 换 ，更换 应 在 未 到达地质 条 件变 化 的断 面之 前 ( a ) 情况 A ( b ) 情况 B ( c ) 情况 C 图2围岩荷载条件 约 6～8 m( 不小 于一个洞径 ) 提前实施 。但 当地质 条件从土层变到软岩或硬岩时 ，则应退后约 6～ 8 m 更换管片。 图 1 管片衬砌示意 2 ． 2 管片接缝密封 总 干 6 一 7 一8 隧洞 管 片 接 缝 密 封采 用 的是 一 种特殊 混凝 土——“ S i k a R e p ” ，当它 固结 硬化 后 ， 其强度高于标准抗压强 度 为 4 0 MP a的混凝 土 ，实 际上不具 收缩性 ，相 反遇水后具有 一定 的膨胀 性。 其作用主 要有 ：( 1 ) 确保 衬砌管 片边缘 的连续 性 ， 减少隧洞糙率 ；( 2 ) 限制 回填灌 浆过程 中水泥浆液 的溢出 ；( 3 ) 允许 回填灌浆 过稃 中浆液 中的剩余水 分通过压滤作用淅 出；( 4) 保证管片接缝正常有效 地传递正压力 。 2 ． 3豆砾石回填灌浆 衬砌管片安装后 ，立即用 5～1 0 m m 的豆砾石对 围岩与管片之间的空隙进行填充，然后再用水泥浆进 行回填灌浆 ，确保将 围岩与管片之间的空 隙填充 密 实。其作用主要有 ：( 1 ) 充填衬砌外壁与围岩之间的 环行空隙；( 2 ) 压缩装配后的衬砌环并超前对其施加 一 定的荷载；( 3 ) 确保 围岩压 力均匀有效地传递到衬 砌上；( 4 ) 改善衬砌 的环向刚度 ；( 5 ) 增强衬砌管 片 1 6 接缝 的止水性能。 豆砾石回填灌浆质量与豆砾石本身的质量、浆液 配合比、灌浆压力 、灌浆次序 、停灌标准等有密切关 系。 3 六边形混凝土预制管片设计 3 ． 1 设 计方 法 根据总干线 6 一7 一8 隧洞预计地质条件 ，并 据此通过计算分析获得作用在不 同地层条件 中的隧 洞管片衬砌上的荷载 。具体使用 的支护荷载计算方 法包括二个解析经验方法 ：( 1 ) 常用 于深埋 隧洞 的 收敛限制法 ，具体采用 H o e k等人 于 1 9 8 3年给出的 解析解 ；( 2) 常 用 于浅 埋 隧洞 的泰 沙基 理论 ( T e r ． g a g h i ，1 9 4 6 ) 。 共有 3种典型荷载情况 ，见表 1 和图 2 。 表 1 设计所 采用的 3种不 同支护荷载条件 荷载情况 最大覆 盖层厚度／ m 岩体类别 P ／ k P a P h ／ k P a 3 o0 I～ Ⅱ 一Ⅲ 2 3 0 1 3 O A <2 o ( ) Ⅳ ( 倾斜 ) B <3 O H0 Ⅳ 6 8 0 4 8 0 C <5 O V( 土 层 ) 6 9 0 5 5 0 从管片的预制生产到现场安装 以及后期运行各 个过程中 ，衬砌管 片实际承受的荷 载是不 同的，单 一 管 片在 吊运装卸 和储存过程中最重要的受力情况 见 图 3 。 ( a ) 情况 D 吊运与管片自重 ( b ) 情况 E储放 ( 起 吊力， P =管片自重 ) ( 上覆 3个管片的重量) 图 3 吊运操作与储 放过程中管片的受力条件 基于混凝土不出现拉应力的假设 ，首先应用超静 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第6期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 定反作用力分析法 ，计算 出每一受力条件下作用在管 片横断面上 的内力 。其次，根据材料强度 ，采用混凝 土结构的允许应力法计算 出管片横断面上相应的应 力。图 4 、图5给出了内力和应力计算的输入数据以 及管片横断面上两种可能的应力分布 ( 其 中 为管片 宽度 ，h为管片高度 ，C为保护层 ，A 为钢筋断面面 积， 为钢筋应力 ， 为混凝土应 力 ) 。全受压 断 面对应于小偏心荷载 ，而部分受压断面对应于大偏心 荷载 ，后者实际在我们所分析的荷载条件下是不会出 现 的 一 ． ⋯』一 f I ． ． ． ． I ＼／8 ／／ ＼ 图 4 内力及应力计算输入数据 示意 l ， J ： f 』 ( a ) 情况 1完全受压断面( 小偏心) ( b ) 情况 2部分受压断面 ( 大偏心) 图 5 管片横 断面 以及其上的应力分布 根据欧洲通用混凝土结 构设计规 范 ( E u r o c o d e N o 2，1 9 9 】 ) ，计算 中选用 下列材 料特 征值 ：钢筋 的极 限应力 =3 8 0 MP a ；钢筋 的容 许应 力 = 2 2 0 MP a ；不同混 凝土 2 8 d龄期 的 立方 体抗 压 强 度分别为 R k =3 0 MP a 、3 5 MP a 、4 0 MP a ；各种混 凝 土 相 应 的 容 许 压 应 力 分 别 为 =9 ． 7 MP a 、 1 1 ． 0 MP a 、1 2 ． 2 MP a 。各种 混凝 土 的抗拉性 能 列 于表 2 。 3 ． 2 计算结果 通过围岩压力与衬砌相互作用分析获得作用在管 片横断面上的内力 ，进而算 出了相应断面上的应力 ， 其结果见表 3 。 水利水电技术第4 2卷2 0 1 1年第 6期 梁晋平∥六边形混凝土预制管片衬砌设计 针对上述不同的应力分布 ，设计 了相应 的 3种 管片型式 ，各种型式管片的混凝土级别和配筋参数 见 表 4 。 表 2 各种混凝土的抗拉性能 Rl：k ／MP a c ／ MPa r m ／ MP a 3 0 2 ． 6 3． 1 3 5 2 ． 9 3． 4 4 0 3 ．1 3 7 注 ： 为混凝土构件 仅受轴 向拉力作用 时的容许扰拉 强度； 为混 凝 土构件在轴向拉力和弯距组合作用时的容许抗拉强度 。 表 3 通过结构分析获得 的管片横断面上的应 力 情况 M k N m N k N O - ／ MP a ／ MP a A 3 2 ． 7 9 4 2 ． 1 ～0 ． 4 —4 ． 3 B 6 5 ． 8 2 92 0 ． 0 ～3 ． 3 —1 1 ． 2 C 1 I 1 ． 6 3 0 51 ． O ～O ． 9 —1 4 ． 3 注 ：M 为弯距 ；N为管片横断面上 的垂 直力 ；o - 。 和 o - 分别 为管 片 内半径和外半径处的正应力。 表 4各种型式管 片的混凝土级别和配筋参数 管片 混凝土强度 M Ⅳ r ， c r ， s 型式 R。．k ／ M P a 配筋参数 ／ k Nm ／k N ／MPa ／ MP a A 3 0 l 0+1 0 4 , 8 3 2 ． 7 9 42 ． 1 一4 ． 1 ～5 5． O B 3 5 1 0+ 1 0 击1 2 6 5 ． 8 2 9 2 0 ． 0 一 l O ． 1 —l 4 0 ． 0 C 4 0 1 2+1 2 61 6 l 1 1 ． 6 3 O 5 1 ． O 一l 1 ． 5 —1 5 5 ． O 注 ： 为混凝 土中可能出现 的最 大压应 力；O - 为钢筋中可能 出现 的最大压应力。 4 结语 通过上述分析计算结果表明，各种型式 的管片横 断面都处于全压应力状态。在所设计 的围岩压力作用 下 ，A型管片是不需要用钢筋加固的 ，因为管片断面 上的最大应力小于混凝土是容许压应力。而 B型和 C 型管片在相应的设计围岩压力作用下 ，则需要采用钢 筋加固以保证管片在不对称围岩压力作用下的结构稳 定性。 考虑到管片在进入隧洞安装之前的装卸 吊运 、储 存和安装过程中的受力情况，A型管片配制有适当数 量的钢筋 以确保管片的安全。 ( 责任编辑陈小敏) 通 知 自2 0 1 1 年 5月 1日起，向《 水利水电技术》 杂志投 稿者请登陆 w 3 ~ r w ． s l s d j s ． c o rn的作者中心，注册投稿。 1 7 ． L ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m