引松隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构计算分析.pdf

第2 8卷 第5期 2 0 l 1年 5月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 2 8 No 。 5 Ma v 2 0 l 1 文章编 号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 1 ) O 50 0 6 3一 o 4 引松隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构计算分析 刘阳， 王倩 ， 刘阳( 女 ) ( 吉林省水利水电勘测设计研究院， 长春1 3 0 0 2 1 ) 摘要 ： 针对吉林省中部城市引松供水工程机械式后张法预应力钢筋混凝土衬砌输水隧洞工程， 采用普通解析法和 弹塑性有限元 2种计算方法 ， 对预应力钢筋混凝土衬砌进行了计算对比分析， 提出了有限元计算结果是合理可行 的。计算结果表明： 对于本工程线路穿越沟谷及波状台地区的多段浅埋有压隧洞， 采用预应力混凝土衬砌结构是 切实可行的。对于预应力钢筋混凝土衬砌隧洞这种复杂的结构形式， 采用有限元计算能够更好地模拟开挖、 预应 力施加、 围岩与衬砌结构的受力状态， 相对于普通的解析法， 其计算结果更接近实际， 对控制工程总投资可起到关 键作用。同时总结了预应力衬砌的优点和应用前景， 提出了需要进一步研究和探讨的问题。 关键词： 引松供水工程； 隧洞 ； 预应力； 衬砌 中图分类号： T V 7 3 2 3 文献标识码： A 1 概述 近年来 ， 我国水利水 电工程预应力技术发展较 快， 从坝工预应力混凝土结构扩展到水工隧洞预应 力混凝土衬砌 。继清江隔河岩水 电站引水隧洞预应 力混凝土衬砌锚束施工获得成功之后 ， 天生桥一级 水 电站引水 隧洞工程、 小浪底水库排沙隧洞工程 、 大 伙房水库输水工程 、 南水北调 中线穿黄工程等均采 用了这一技术 。 吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省境 内， 从第二松花江丰满水库库区引水， 解决吉林省中 部地区用水的大型长距离调水工程。多年平均引水 量为8 9 7 亿 m ， 设计引水流量为 3 8 m s 。输水总 干线全长约 1 1 0 k m， 其 中隧洞段长 9 7 k m。线路穿 越饮马河与双阳河及两岸台地处 ， 地貌以波状 台地 为主 ， 建筑物隧洞与埋管交替 ， 长达2 2 8 k m。有压 隧洞洞径6 6 i n ， 埋深 1 2 4 5 m， 围岩风化层 较厚 ， 岩石强度低 ， 围岩类别 以 V类为 主， 围岩抗渗能 力较差 ， 在该段考虑采用抗裂设计 ， 采用后张法无粘 结预应力混凝土衬砌结构形式 。由于预应力衬砌造 价较高， 在保证工程安全的前提下 衬砌计算成果采 用值的合理性对控制工程投资起到关键作用。 目前隧洞衬砌计算采用的方法主要分为 2大 类 ： 一类是常规结构力学法 ( 解析法 ) ， 考虑 围岩的 抗力作用， 假定抗力分布后按超静定结构计算衬砌 内力； 另一类是有限元法( 数值计算法) ， 是将衬砌 与围岩作为整体进行计算。本文对隧洞衬砌结构 的 计算， 采用解析法和有限元计算方法进行对比分析。 2 衬砌布置及计算条件 预应力衬砌结构形式如下 ： 衬砌断面 内侧布置 锚具槽 ， 通过钢绞线张拉变形 ， 使衬砌受到挤压， 使 衬砌截面形成预压应力。预应力钢筋采用高强度无 粘结低松弛 l 8 6 0级 6 p J 1 5 2 钢绞线 ， 公称截面面 积 A = 6 1 4 0 m m 。预应力筋束沿管道轴向的中 心间距为 3 8 6 m m 采用双层双圈无粘结预应力钢绞 线环形游动锚支撑变角张拉技术， 环锚锚板锚固端 和张拉端各设 6个锚孔 ， 内层 3根 钢绞线从锚固端 起始沿 内层 圆周环绕 2圈后进入 内层张拉端 ， 外层 3 根钢绞线从锚固端起始沿外层圆周环绕2圈后进 入外层 张拉端 ， 钢绞线锚 固端与张拉端包角为 2 3 6 0 。 。两侧锚具槽位置圆心夹角 8 0 。 ， 预留内槽 口 长度为1 2 i n ， 中心深度为0 2 5 m， 宽度为0 2 0 m。 以引松工程 1 号隧洞 l 5+8 3 9断面为例。隧洞 埋深3 0 5 m， 洞径6 6 m， 该计算 断面处 内水压力水 头为4 3 7 m， 外水压力水头为2 1 7 m。预应力衬砌 混凝土采用 C 4 0 W1 0 ， 衬砌厚度为 5 0 0 m m。钢绞线 张拉控制应力17 = 0 7 5 ， = 1 3 9 5 M P a 。锚具采 用夹片环锚 ， 锚具变形和钢筋 内缩值 0=5 m m。预 应力钢绞线与孔道壁 的摩擦系数 =0 0 0 3 5 ， 考虑 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - O 1 - o 6 作者简介： 刘阳( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 吉林长春人， 高级工程师， 主要从事水工结构的科研与设计 ， ( 电话) 0 4 3 1 8 5 6 6 1 8 1 5 ( 电子信箱) l i u y a n 1 0 0 1 0 8 1 6 3 t o m。 长江科学院院报 孔道每米长度局部偏差的系数 = 0 0 0 0 7 ( 注： 该 两数值采用黄河小浪底工程对多家无粘结钢绞线的 实测平均值 ) 。 3 解析法计算 根据 水电工程预应力锚固设计规范 ( D L T 5 1 7 6 2 0 0 3 ) ， 将对环形锚束施加的张拉力作为荷载 之一， 组合内水压力、 外水压力及其他荷载， 进行衬 砌 的应力计算 。其 中， 衬砌预应力 的计算按照 以下 简化的理想分析模型考虑： ( 1 )锚索环按照同心圆布置， 以预应力钢绞线 束所在环面为分界， 将衬砌环分成外环体和内环体 两层环体 ， 并视为由无限长的筒体上截出， 为平面应 变问题。 ( 2 )锚索预应力损失主要有 ： 锚具变形和锚 索 回缩应力损失； 摩擦应力损失； 锚索材料应力松弛损 失 ； 混凝土收缩与徐变损失 。 ( 3 )内外环体均为弹性环， 锚索挤压作用在两 层环体的接触界面上 ， 相应界 面上仅有均布径 向力 传递。 按照理想分析模型 ， 根据环形预应力作用机理 ， 套用圆筒公式 ， 推导出预应力作用下 的应力和径 向 变形解析计算公式。预应力钢绞线束产生的径向均 布压力 P为 3 J P =A p iT p e r p 。 ( 1 ) 式中： A 。 为单位长度压力管道配置的预应力钢绞线 束截面面积； 为预应力钢绞线束的有效预应力； r 。 为预应力钢绞线束所在的环面的曲率半径。 计算模型如图 1 所示。预应力钢绞线束所在环 面作用集度P的径向均布压力， 同时由于内层和外 层的变形协调产生界面均布约束力P ， 管道内半径 为 0 ， 外半径为 C 。 0 ( a ) 双层圆筒模型 ( b 】 内层圆筒 ( c ) 外层圆筒 图 1 压力管道双层环锚计算模型 Fi g 1 Ca l c u l a t i o n mo d e l o f t h e d o u b l e l o o p a n c h o r o f p r e s s u r e p i p e 根据变形协调条件， 在预应力钢绞线束所在环 面 r = r p 处内筒径向位移 等于外筒径向位移 “” ，即 “ =n ” ： 。由弹性力学单个 圆筒承受 均布压力荷载的拉密解答， 经推导可得两圆筒层间 界面均布约束力 p 为 p = 若等 ( 1 + 专 2) 一 ( 一 。 ( 2 ) 式中： 为材料泊松比。 选取 内层 圆筒脱离体为研究对象 ， 其环 向应力 径向应力 分别为 一一 ( PP ， ) 一 一 ； ， =一 ( p一 ， ) ( 0 rr pIT P ) 。 ( 3 ) ，=一 p一 L 0 r 。 L j l 一 口 r 选取外层圆筒脱离体为研究对象， 其环向应力、 径 向应力分别为 1 + c r 一 ； IT ，=一 ， ( r ，C ) 。 ( 4 ) ， 一 ， L r p ， 。 L q 1一C ， D 管壁内表面径向收缩位移 l l O r=a = 等 。 ( 5 ) 一。 ) 按照上述方法求出预应力状态下衬砌截面内力 后 ， 与计算组合中其他荷载作用下的截面内力叠加 ， 即可得到截面最终内力。计算结果见表 1 。 表 1 隧洞断面衬砌关键点截面应力值 T a b l e 1 S t r e s s v alu es o f th e k e y p o i n t s o n th e l i n i n g o f t unne l c t i o n MP a 工况 盟 ! ! ! ! 内水一 0 4 2 1 6 7 0 4 5 1 6 1 0 5 1 1 7 9 0 4 5 1 7 2 ! 查 二 ! ： 二 ： 二 ： ： ： 二 ： 丝 ： ： 二 ! ： !二 ： 竺 从上述计算结果看， 在内水压力作用下， 衬砌的 拉应力在1 6 l1 7 9 MP a 之 间， 应力 值偏 大， 局部 点 已经接近 C 4 0混凝 土允许拉 应力。在外水压力 作用下 ， 衬砌没有出现拉应力 。 4 有限元分析计算 4 1 计算模型及计算参数 根据地形地质资料对三维初始应力场进行反演 计算 ， 采用三维非线性弹塑性有 限元对 围岩稳定进 行分析 ， 然后对隧洞衬砌进行数值计算分析 。 有限元模型以垂直于隧洞轴线方向为 轴， 沿 隧洞轴线的方向为 y 轴， z轴和大地坐标重合， 指向 上为正。成洞洞径尺寸为6 6 m。模型共剖分了 第5期 刘 阳 等 引松隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构计算分析 4 9 6 0 个 8 节点的空间等参单元。计算网格及衬砌 关键点见图 2 、 图 3 ， 选用参数见表 2 。 I 。 + 。1_T _ _ H 一r T 【 I l j f 一 卜 H 十H 十 H 十十 士 封 土 = = L ! ： 一 一 、 。 。 。 。 十 斗十 十 斗十十 + 一 L l + _r 斗什什 一 l l L 上 一 L 一 ： 耳 ： ： 【 ； ； 【 ： 图 2 F i g 2 计算模型网格图 图3 衬砌关键点示意图 Ca l c u l a t i o n me s h F i g 3 Ke y p o i n t s o f l i n i n g 表 2 选用围岩物理力学参数表 Ta b l e 2 Ph y s i c a l me c h a n i c al p a r a me t e r s o f t h e r o c k 4 2 混凝土衬砌位移变化规律 隧洞断面衬砌关键点的位移值见表 3 。从表 中 可以看出位移量值都不大， 分布规律： 衬砌顶部位移 较小 ； 边墙次之 ； 底部最大。 4 3混凝土衬砌应力变化规律 隧洞断面衬砌关键点的第一和第三主应力值见 表 4 。从表中可 以看 出衬砌 的顶部应力较小 ， 底部 应力较大 ， 应力值从顶部向底部逐渐增大。 表 3隧洞断面衬砌关键点 围岩位移值 T a b l e 3 Di s p l a c e me n t v alu e s o f the k e y p o i n ts o n th e l i n i n g o ft u nn e l s e c t i o n i n i n 表 4 隧洞断面衬砌关键点第一、 三主应力值 Ta b l e4 Th e fi r s t a n d t h i r d p r i n c i p al s t r e s s e s o fth e k e y po i n ts o n th e l i n i n g o ft u n n e l s e c t i o n MP a 1 A顶拱 B右侧 C底板D左侧 上 优 一 ! ! ! 内水一 0 3 4 1 2 3一 O 3 6 1 3 5 0 3 9 1 4 1 -0 3 6 1 3 1 查 二 旦 ： ： 竺 ： ： 旦 ： 二 ： 塑 二 ： ： ： ： ： = ： 4 4 混凝土衬砌内力变化规律 衬砌的轴力 图、 弯矩图见 图 4 。从图上可 以看 出， 内水压作用下， 轴力为拉， 弯矩为向外弯， 说明内 缘受拉， 外缘受压； 外水压作用下， 轴力为压， 弯矩为 向内弯。 4 5 结果合理性分析 从上述计算结果看， 在内水作用下衬砌的变形 都控制在0 1 30 2 2 m m以内， 衬砌的拉 应力控制 在1 2 31 4 1 M P a ， 不超过 C 4 0混凝土允许拉应 力， 满足规范抗裂设计要求。轴力分布在 5 0 0 7 0 0 k N之间， 弯矩分布在4 9 k N 1T I 以内， 可视为小偏 心受压构件。这说明衬砌结构受力条件较好， 能够 满足要求。在外水压作用下， 衬砌结构受力变形都 控制在0 1 l I T l n l 以内， 衬砌 没有 出现拉应力 ， 轴力 、 弯矩值都很小， 说明外水压对衬砌结构受力不起控 制作用 ， 整个结构受力状态较好。其计算应力及位 移分布规律与国内类似工程所做的模型试验数据 比 较吻合 ， 因此， 计算结果可以用于引松隧洞预应 力衬砌结构设计 。 轴 力 分 布 ： 弯 矩 分 布 +- ：t：t 0o o u t e r ( b ) 外水工况 图4 隧洞衬砌断面轴力图、 弯矩图 Fi g 4 Th e a x i al f o r ce an d b e n d i n g mo me n t p l o t o f th e l i n i n g o ft u n n e l s e c t i o n 4 6 两种计算方法对比分析 从上述 2种方法的计算结果可以看出， 普通解 析法的断面应力分析为简化模型的结果 ， 没有充分 考虑围岩与衬砌的相互影响作用， 应力值较大， 只适 用于那些边界条 件简单 及介质特性不太 复杂 的情 况 ， 对优化隧洞结构设计提供的参考价值不大。而 有限元法 ， 与实际施工采用的” 新奥法” 理论结合较 好 ， 考虑了地下岩体结构 的非均质和不连续性 ， 可以 给出岩体及结构的位移、 应力、 变形大小和分布， 并 可近似地依据应力、 应变规律去分析隧洞的变形破 坏机制。 从 国内工程实例看 ， 清江隔河岩水 电站引水隧 洞 1 ： l衬砌张拉模 型试验 、 黄河小浪底排砂洞现场 1 ： 1结构模型试验 、 天生桥一级水 电站引水隧洞原 位 1 ： l 环锚工艺试验、 南水北调穿黄隧洞 1 ： 1 仿真 长江科学院院报 2 0 1 1 生 模型试验， 通过现场或原位模型试验得到的数据与 自身的有限元数值计算结果对 比可知， 有限元法能 l 2 J 够比较客观实际地反映出工程结构施工及运行情 况， 相对于普通解析法， 计算结果更精确， 更符合实 际 。 5 结 语 l 3 j 根据计算结果分析， 对于本工程线路穿越沟谷 及波状 台地 区的多段浅埋有压隧洞 ， 采用预应力混 凝土衬砌结构是切实可行的。对于预应力钢筋混凝 土衬砌隧洞这种复杂 的结构形式 ， 采用有 限元计算 l 4 j 能够更好地模拟开挖 、 预应力施加 、 围岩与衬砌结构 的受力状态， 相对于普通的解析法， 其计算结果更接 近实际， 对控制工程总投资将起到关键作用。 鉴于本工程采 用预应力 隧洞段 总长达十几公 里， 参考国内类似工程， 通过模型试验 J ， 分析锚索 张拉过程和运行过程 中衬砌混凝土徐变发展变化规 5 1 律、 运行期如何考虑温度和内水压力变化对锚索和 衬砌应力状态的影响仍需要作进一步研究。 参考文献 ： 1 符志远 压力隧洞衬砌后张预应力计算 J 人民长 江 ， 2 0 0 1 ( 9 ) ： 2 42 6 (F U Z h i - y u a n P o s t T e n s i o n e d P r e s t r e s s C o mp u t a t i o n f o r L i n i n g C o n c r e t e o f P r e s s u r e。 T u n n e l J Y a n g t z e R i v e r ， 2 0 0 1 ， ( 9 ) ： 2 42 6 ( i n C h i n e s e ) ) 赵顺波 ， 李晓克 预应力施工阶段混凝土压力管道受 力性能研究 J 水力发 电学报， 2 0 0 4， ( 2 ) ： 3 64 1 ( Z HA O S h u n - b o ， L I X i a o - k e S t u d y o n t h e P r o p e r t i e s o f P r e s tr e s s e d C o n c r e t e P e n s t o c k i n C o n s t r u c t i o n S t a g e J J o u r n a l o f H y d roe l e c t ri c E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， ( 2 ) ： 3 6 4 1 ( i n C h i n e s e ) ) 刘秀珍 后张预应力隧洞衬砌计算 J 水利水电工程 设计 ， 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 2 l一 2 3 ( L I U X i u - z h e n C al c u l a t i o n o f t h e P o s t - T e n s i o n e d P r e s t r e s s i n g L i n e r o f T u n n e l J D e - s i g n o f Wa t e r Re s o u r c e s Hy d r o e l e c t ric E n g i n e e ri n g 1 9 9 8 ， ( 2 ) ： 2 1 2 3 ( i n C h i n e s e ) ) 谢小玲， 苏海东 ， 林绍忠 穿黄隧洞纵向变形三维有限 元分析 J 长江科学院 院报 ， 2 0 1 0 ， ( 7 ) ： 6 O一6 4 ( X I E X i a o - l i n g ， S U H a i d o n g ，L I N S h a o z h o n g A n a l y s i s o n L o n g i t u d i n al De f o r ma t i o n o f T u n n e l C ros s e d Y e U o w R i v e r b y 3 - D F i n i t e E l e me n t J J o u rna l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 1 0 ， ( 7 ) ： 6 0 6 4 ( i n C h i - n e s e ) ) 付志远 ， 张传建 ， 段国学， 等 穿黄隧洞衬砌 l ： l 仿真试 验研究实施报告 R 武汉 ： 长江水利委员会 ， 2 0 0 5 ( F U Z h i - y u a n ， Z H A N G C h u a n - j i a n ， D U A N G u o x u e ，e t a 1 I mp l e me n t a t i o n Re p o rt o n E x p e ri me n t al S t u d y o f 1 ： 1 S i mu l a t i o n Mo d e l o f t h e T u n n e l T h r o u g h Ye l l o w Ri v e r R Wu h an I C h a n g j i ang Wa t e r R e s o u r c e s C o m mi s s i o n ， 2 0 0 5 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑： 姜小兰) Ca l c u l a t i o n o f t he Li n i n g o f Pr e s t r e s s e d Re i n f o r c e d Co nc r e t e i n Pr e s s ur i z e d W a t e r Co nv e y a nc e Tu n ne l L I U Y a n g ， WA NG Q i a n ，L I U Y a n g ( f e ma l e ) ( J i l i n P r o v i n c i a l Wa t e r R e s o u r c e a n d H y d r o p o w e r C o n s u l t a t i v e C o m p a n y ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：P o s t t e n s i o ne d r e i n f o r c e d c o n c r e t e l i n i ng i s u s e d i n t he pr e s s u riz e d c o n v e y a n c e t un n e l o f t h e wa t e r s u p pl y p r o j e c t f r o m S o n g h u a R i v e r t o t h e c e n t r a l c i t i e s o f J i l i n p r o v i n c e T a k i n g t h i s p r o j e c t a s a n e x a m p l e ， t h e l i n i n g o f p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e W as c a l c u l a t e d b y c o n v e n t i o n al an a l y t i c a l me t h o d a n d e l a s t i c p l a s t i c fi n i t e e l e me n t me t h o d，a n d t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f t h e s e t w o me t h o d s we r e f u r t h e r c o mp a r e d T h e c o mp a r i s o n d e mo n s t r a t e d t h a t t h e fi n i t e e l e me n t me t h o d p r o v e d t o b e r e a s o n a b l e and f e a s i b l e Ac c o r d i n g t o t h e c alc u l a t i o n，i t i s f e a s i b l e t o e m p l o y 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 f o r s h all o w p r e s s u r e t u n n e l wh i c h c r o s s e s g u l l i e s an d wa v y t e r r a c e s An d a s for c o mp l e x p r e s t r e s s e d r e i nfo r c e d c o n c r e t e l i n i n g t u n n e l s ，fi n i t e e l e me n t me t h o d c a n b e t t e r s i mu l a t e t h e e x c a v a t i o n， t h e p r e s t r e s s i n g，a n d t h e s t r e s s o f s u r r o u n d i n g r o c k a n d l i n i n g s t r u c t ur e I t i s c l o s e r t o t h e a c t ua l c o nd i t i o n s c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n al m e t h o d s a n d i s c ri t i c a l for p r o j e c t c o s t c o n tr o 1 Mo r e o v e r ， t h e a d v a n t a g e s a n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f t h e p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e l i n i n g w e r e s u mma ri z e d，a n d i s s u e s a wa i t i n g f u r t h e r r e s e arc h w e r e a l S O d i s c u s s e d Ke y w o r d s ： w a t e r s u p p l y p r o j e c t f r o m t h e s e c o n d S o n g h u a R i v e r； t u n n e l ； p r e s t r e s s ；l i n i n g