新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究.pdf

水利水电技术第4 6卷2 0 1 5 年第1 1期 新 型预 应 力混 凝 土衬 砌 压 力 隧洞 技术研 究 赵妍 ，孙粤琳 ，黄 昊，刘致彬 ( 中国水利水 电科学研究院，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘 要 ：本文提 出了一种新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术。该项技术根据厚壁圆筒承受内外水压 力理论，利用围岩的抗力作 用，采用外加预应力法，在 围岩和衬砌混凝土之 间安装一种圆环形扁千斤 顶设备，根据需要利用水或水泥浆通过有 限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值 与分布的均布压应力，用以部分或全部抵 消内水压力所产生的拉应 力。其优点是省去 了预应 力钢筋， 且施工简便。模拟试验证明，利用水或水泥浆施加预应力法是可行的。有限元计算结果表明，在隧洞 衬砌混凝土外层间隔施加预应力时，衬砌混凝土中的应力能够满足工程需要。 关键词 ：压力隧洞；新型预应力混凝 土衬砌 ；外加预 应力 法；圆环形 扁千 斤顶 ；室 内试验 ；有 限 元分析 d o i ：1 0 1 3 9 2 8 j c n k i w r a h e 2 0 1 5 1 1 0 1 5 中图分类号 ：T V 7 3 2 3 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 - 0 0 7 2 0 5 Re s e a r c h o n a n e w t e c hno l o g y o f pr e s s ur e t u nn e l wi t h p r e - s t r e s s e d c o n c r e t e l i n i ng ZHAO Ya n， S UN Yu e l i n， HUANG Ha o， L I U Zh i b i n ( C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：A n e w t e c h n o l o g y o f p r e s s u r e t u n n e l w i t h p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l i n i n g i s p r o p o s e d h e r e i n T h i s t e c h n o l o gy i s t h a t wi t h t h e r e s i s t a n c e e f f e c t o f s u r r o u n d i n g r o c k a n d t h e e x t e r n a l p r e s t r e s s m e t h o d ，a c i r c u l a r fl a t j a c k d e v i c e i s i n s t a l l e d b e t w e e n t h e s u r r o u n d i n g r o c k a n d t h e c o n c r e t e i n a c c o r d a n c e wi t h t h e t h e o r y o f t h a t t h e i n t e r n al a n d e x t e r n a l w a t e r p r e s s u r e s a r e wi t h s t o o d b y a t h i c k wa l l e d c y l i n d e r ，a n d the n a u n i f o r m c o mp r e s s i v e s t r e s s w i t h a c e r t a i n v a l u e i s a r t i fi c i a l l y印p l i e d t o t h e o u t s i d e o f the l i n i n g c o n c r e t e o f t u n n e l w i t h wa t e r o r c e me n t s l u r r y t h o u g h a l i mi t e d r a d i al d i s p l a c e me n t a c c o r d i n g t o the r e l e v a n t d e ma n d，S O a s t O p a r t l y o r f u l l y o f f s e t t h e t e n s i l e s t r e s s f r o m t h e i n t e r n al w a t e r p r e s s u r e T h e me ri t o f t h i s t e c h n o l o gy i s t h a t n o t o n l y t h e p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e me n t i s s a v e d ， b u t t h e c o n s t r u c t i o n i s als o c o n v e n i e n t T h e s i mu l a t i o n t e s t d e mo n s t r a t e s t h a t i t i s f e a s i b l e t o a p p l y p r e s t r e s s w i t h wa t e r o r c e me n t s l u r r y Me a n wh i l e ， t h e r e s u l t f r o m t h e fi n i t e e l e me n t me t h o d s h o w s t h a t w h e n p r e - s t r e s s i s a p p l i e d t o t h e o u t s i d e s p a c e o f the l i n i n g c o n c r e t e o f t u n n e l ， the s t r e s s i n s i d e o f the l i n i n g c o n c r e t e c a n me e t the e n g i n e e rin g d e ma n d c o n c e rne d K e y w o r d s ： p r e s s u r e t u n n e l ； n e w p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l i n i n g ；e e mal p r e - s t r e s s e d me tho d ； c i r c u l a r fi a t j a c k ；i n d o o r e x p e r i me n t ；fi n i t e e l e me n t a n aly s i s 1 问题的提出 预应力混凝土衬砌技术在 国外应用较早 ，2 0世 纪 7 0年代 ，意大利 、瑞士等国将这种技术应用 于调 压井和隧洞。国内许 多专家也对衬 砌结构形式设 计和优化 、施工技术 、可靠度分析及混凝土衬砌开裂 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 1 一 O 6 项 目资助 ：中国水利水 电科学研究院科研专项( S M0 1 4 5 B 2 2 2 0 1 5 0 0 0 0 0 ) 。 作者简介 ：赵妍 ( 1 9 7 8 一 ) ，女 ，高级工程师 ，博士。 Wa te rRe s o u r c e s a n dHy d r o po we rEn g i n e e r i n g V o 1 4 6 No I 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 分析等方面均进行过大量 的研究工作 I 6 j 。其中预应 力混凝土衬砌又分为有粘结预应力和无粘结预应力混 凝土衬 砌两 种 。现有 的预应 力 混凝 土衬砌 隧 洞 ， 一 般是沿着衬砌层建立几百吨甚至更大的环向预应力 钢材施加预应力 。例如清江隔河 岩水 电站净内径 9 5 m j ，天生桥一级水 电站净 内径 9 6 m等 ，均为在衬 砌层 内预埋波纹管 、穿索 、张拉 、灌浆等有粘结钢绞 线衬砌隧洞 ；小浪底水电站排沙隧洞 J ，净内径 6 5 m，则采用无粘结钢绞线 ，施工时不需预 留孔道 ，其 缠绕角达 7 2 0 。 ，在浇筑混凝 土前 ，同普通钢筋一样 ， 按 照设计要求铺设在模板 内，然后浇筑混凝土 ，待混 凝土达到一定强度后进行张拉 、锚 固、封堵端部。它 不需要灌浆 ，简化 了施工工艺。但是存在施工复杂、 造价高 、耗费大量钢材的缺点 ，而且工程人员对锚具 以及整个无粘结锚固体系的耐久性仍然存在一些疑 虑。随着预应力混凝土衬砌 的广泛应用和深入研究 ， 国内外学者更 加明确提 出了预应 力混凝土衬砌设 计 中 ，应重视围岩的作用。通过总结分析以往的工程实 践经验 ，提 出了新 型预应 力混凝 土衬 砌压力 隧洞技 术 。 所谓新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术 ，就是 选用外加预应力法 ，在围岩和衬砌混凝土之间安装一 种 圆环形扁千斤顶设备用薄钢板制成的中空圆环 形压力囊 ，能利用水或水泥浆压力 ，通过有限的径 向 位移 ，根据工程需要人为地给隧洞衬砌混凝土施加某 一 数值和分布的反向荷载，即外加均布荷载，用以部 分或全部抵 消隧洞 内水压力所产生 的拉应力 ，这是一 种非常经济合理的选择。不仅省去传统方法中的预应 力钢材和锚具 ，达到节约成本 ，施工简便 ，同时满足 工程安全可靠 的要求 ，具有重要的工程意义和深远的 推广应用前景 。 2 采用外力预应力法的理论依据 根据弹性力学厚壁圆筒承受内外均布荷载时的应 力状态 m ( 见图 1 ) 。 内水压力时 口 + 6 。 2 0 ， 、 ， ( D 一 D一 口 外水压力时 ：一 ， ， 0 6 , 2 ：一磐 ， ( 2 ) = 一 ， = 一 p 式 中， 为 内表面环 向应力 ； 以为外 表 面环 向应 力 ；P 为外水压力 ；P为内水压力 ；6 , 为隧洞 内半径 ； b为隧洞外半径 。 水利水电技术第 4 6卷2 0 1 5 年第1 1期 赵妍， 等新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究 D ( a ) 内水压力时受力状态 ( b ) 外水压力时受力状态 图 1 厚壁圆筒承受 内外水压力时 的应力状态 在 内水压 力作 用下 ，环 向应力 始终 为拉 应力 ， 而且最大值在 内表面 ；在外水压力作用下 ，环 向应 力则恒为压应力 ，而且最大值亦在 内表 面。如果厚 壁 圆筒同时承受相 同的内外 均布荷载时 ，可以看到 此种情况下环 向应力仍为压应 力 ，这就是新 型预应 力混凝 土衬砌隧洞 的理论根据 。通过调节 圆环形 扁 千斤顶的宽度 、间距 以及 压力而改变外加预应 力的 大 小 。 3 圆环形扁千斤顶的设计 、制作及安装 圆环形扁千斤顶则 是采用外加 预应 力法对压 力 隧洞混凝土衬砌层施加预应力 的专用设备 ，用 薄钢 板制成的中空 圆环形压力囊 ，如 图 2所示 ，其外 径 与隧洞开外洞径相一致 。一般情况 ，洞径 很大 ，通 常，圆环形扁千斤顶不可能是整体制造的，应分为 若干个标准圆弧段组成一 圆周 ，各标准段在工厂 内 分别制造和验收 ，合 格后 ，运到现场进行 安装。各 标准段 的大小 以人力搬动为 限。各段之 间以丝扣 钢 管相连接 ，在隧洞底部设 有注浆管 ，在顶部设有 排 气管。这样 由各标准 圆弧段 组成所谓 圆环形扁千斤 顶 ，成为一个独立 的封 闭体 系 ，能够利 用水压力或 水泥浆压力通 过有限的径 向位移对 隧洞混凝土衬砌 层施加预应力。 围岩要能可靠地承担 圆环形扁千斤顶的反力 ，通 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵妍， 等新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究 ( a ) 圆环形扁千斤顶沿洞轴方向的布置 ， 砂浆找平 连 接钢 管 f l 圆弧段 ( b ) A A剖面 图 2圆环形扁千斤顶 的布置示意 常围岩应坚硬 、密实和完整 ，并有一定厚度 。当围岩 不够完整或比较破碎或覆盖厚度较小时，可在靠围岩 一 侧布置适量的环 向钢筋或采用喷锚支护 ，除维护施 工期 的安全外 ，主要是在施加预应力过程中承受拉应 力。 4 室内模拟试验结果及分析 4 1 模 型设计 模 型试验的主要 目的是针对 圆环形扁千斤 顶的 设计 、制作 、安装 以及施加外预应力 的性 能方面 的 问题。试验模型立 面图如图 3所示 ，试验模 型照片 74 见图 4 。隧洞 衬 砌 混凝 土 内径 2 0 0 c m，外径 2 4 0 c m，衬砌 混 凝土厚度 2 0 c m，沿隧洞纵 向切 取 8 0 c m 一 段 ，围 岩 则 以 1 6 mm厚钢板模拟。在浇筑混凝 土 前将两段标 准 圆弧段 圆环 形 扁 千斤 顶 固定 在 围岩钢 模 板 的内侧 。注水 ( 浆) 管 、压力 表 和排气 管及衬 砌结 构 内壁 环 向 均匀布置 4个环 向千分表 ( 见 图 3 ) 。此外 ，并布 置 2个 洞 轴方 向千分表 。 ( 1 ) 加压设备。加压设备采 用高压水泵及圆环形扁千斤顶 ， 后者断 面形状 及尺 寸如 图 2所 示。扁千斤顶 腔体 厚度 1 0 t ri m， 高度分别为 0 4 m及 0 8 m，材 料为 1 mm薄钢板 ，焊接位置分 别设 在受拉区及受压区。 ( 2 ) 测点布置。根据弹性力 学厚壁圆筒承受均布外水压力的 应力状态 ，最 大环 向压应力 在内表面 ，而且应力值沿圆周相 同。因此 ，测点布置在内圆中间 高度。在测点位置粘结两个 固定 端 ，标距在 1 0 01 5 0 mm范围 ， 中间安装 千分 表测 量压 缩变 形 值 。 中心线4 2 试 验 结果及 分析 用水泥浆施加 外预应力前 ， 首先用水 介 质施 加 预应 力 ，因 为用水 介质 加压 可 以多次 反复 进行 ，以验 证 压力 和衬 砌 混凝 土环 向变形 的关 系；然后打开注水 阀门，放走 圆环 形 扁千斤顶内的积水 ，开始注入水泥浆 。采用手 电 钻 改制 的搅 拌器 拌浆 。注 浆采 用 U一3型灰浆 泵 ， 从注浆孔进人 ，当排气孔排 出空气 、水 、稀浆 、稠 浆时 ，关闭排气阀门，开始逐渐加大注浆压力 直至 设计压力 ，并 记录下相应 的环 向变形值 。最后 维持 设计压力 5 mi n以上 ，压 力表指针无 变化 ，停止注 浆 ，继续观测压力与环向变形 的变化 ，直至 3 0 d后 结束 。部分试验 结果绘人 图 5 。每点均 为 4个测点 之均值 ，可见预压应力沿 圆周 的分 布相 当均匀 ，因 为不存在沿程预应力损失 问题 ，这是和锚索 预应 力 水利水电技术第4 6卷2 0 1 5年第 l 1期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m