压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究

黄 昊，刘致彬，岳跃真，郝巨涛

（1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院 北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038）

压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究

黄 昊1，2，刘致彬1，2，岳跃真1，2，郝巨涛1，2

（1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院 北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038）

在现有压力隧洞预应力混凝土衬砌技术的基础上，提出了基于圆环形扁千斤顶技术的新型预应力混凝土衬砌隧洞新概念。实现这个设想的关键设备是圆环形扁千斤顶，是一个用薄钢板制成的中空圆形压力囊，利用液压通过有限的径向位移对隧洞混凝土衬砌层外部施加均布压应力。室内模拟试验证明，采用薄钢板制作的圆环形扁千斤顶可以通过灌浆或注水对衬砌结构施加预应力，衬砌结构环向预压应力与注水压力呈线性关系，与理论结果一致。

压力隧洞；预应力混凝土衬砌；模拟试验；扁千斤顶

1 研究背景

随着压力隧洞所承受的水头和直径的不断增加，环向拉应力越来越大，理论和实践都已证明，配置大量普通钢筋不能防止裂缝的发生，仅能限制裂缝的扩展。传统的预应力混凝土衬砌技术主要包括预应力锚索技术和高压灌浆式预应力技术［1］，这种衬砌结构可以使衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量，弥补混凝土抗拉强度和延展性低等缺点，且可充分利用混凝土抗压强度高的特点，减少衬砌结构裂缝发生，但均存在局限性。

锚索式预应力混凝土衬砌结构是通过张拉混凝土衬砌内的环向锚索使衬砌产生预压应力。现有的预应力混凝土衬砌隧洞，一般是沿着衬砌层的环向采用预应力钢材施加预应力。根据所使用的预应力筋的不同，可分为有黏结和无黏结两种形式［1］。这两种形式的技术均不能充分利用围岩的约束作用，通过预应力钢材施加预应力，工程中不但耗费大量的预应力钢材，同时由于在锚索张拉过程中出现摩擦力作用，导致预应力不均匀。同时，耐久性和预应力保持受到钢绞线的耐腐蚀性制约。

20世纪20年代，G·布拉文［2］首先提出了在衬砌与围岩之间预留一条专门的缝隙，用灌浆来形成预应力。此后各国纷纷采用，如澳大利亚、南非、前苏联、德国和法国等［2］，各工程内水压力水头100～700 m，围岩Ⅰ～Ⅳ类，灌浆压力2～10 MPa。灌浆式预应力混凝土衬砌通过压力灌浆的方式使混凝土衬砌产生预压应力，预应力是由衬砌和围岩之间的压力产生的。该技术可以充分利用围岩的约束作用，节省大量预应力钢材，同时通过灌浆作用可以加固围岩等。中国在1976年开始进行灌浆式预应力衬砌的试验研究工作［3-6］，目前灌浆式预应力衬砌技术也已经列入规范［7］。但由于混凝土预压应力持续效果不明确，预应力灌浆残余应力不易控制，同时对衬砌厚度、预留的灌浆间隙厚度要求严等方面的影响，该技术的应用受到限制，影响了其大规模推广应用。

近年来，在对现有预应力混凝土衬砌隧洞工程进行总结和研究的基础上，提出了新型预应力混凝土衬砌隧洞的新概念，该技术的关键是在围岩和混凝土衬砌结构之间设置由薄钢板制成的圆环形扁千斤顶，利用灌浆或充水过程中圆环形扁千斤径向位移对混凝土衬砌层施加均匀外部压力作用，从而在混凝土衬砌结构内部产生预压应力。

2 压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术

压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术的理论依据与灌浆式预应力技术的理论依据类似，根据弹性力学厚壁圆筒承受内外均布荷载时的应力状态，隧洞衬砌结构的受力状态如图1所示。

图1 厚壁圆筒的应力状态

在同时受到内外水作用下，可得厚壁圆筒受内外压力作用的拉梅（Lame）解［8］。

式中：a、b分别为隧洞衬砌结构（或厚壁圆筒）的内半径和外半径；q1、q2分别为内水压力和外水压力。若内、外水压力值相同，式（1）中q1=q2，则在厚壁圆筒内壁：

根据式（2）所示，当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。基于此，新型压力隧洞预应力衬砌技术的圆环形扁千斤顶结构能充分发挥围岩抗力的新型结构形式。工程实践中，圆环形扁千斤顶可以通过环向和纵向间隔布置，达到预应力衬砌效果，具体结构见图2。

图2 圆环形扁千斤顶沿隧洞轴向的布置

新型压力隧洞预应力混凝土技术具有传统灌浆式预应力的技术优点，如可以使衬砌厚度减薄，节省材料和开挖量，显著降低工程造价和施工难度，加快施工进度，弥补混凝土抗拉强度和延展性低的缺点，充分利用混凝土抗压强度高的优点。同时，由于存在圆环形扁千斤顶，可以保证围岩与衬砌混凝土之间有封闭空腔，其施工灌浆压力和灌浆残余压力可以保证，能有效地提高预加应力效果，是一种很有发展前途的衬砌形式，在我国的水电工程和城市输水工程中具有广泛的应用前景。

3 室内模拟试验

由于新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术是一种创新技术，需要进行试验验证圆环形扁千斤顶的设计、制作、安装以及灌浆工艺控制和施加外预应力性能等方面内容。

通常压力隧洞所承受的内水压力和直径都很大，不可能按相似模拟设计，只能取一部分预应力混凝土衬砌隧洞开展模拟试验。室内模拟试验采用厚钢板模拟围岩，将一定宽度两段标准圆弧段圆环形扁千斤顶固定在围岩（钢板）内部的中间位置，圆环形扁千斤顶分别设有注水管、压力表和排气管等，通过对圆环形扁千斤顶压水或压浆对内部衬砌混凝土施加预应力，同时量测衬砌混凝土内壁的变形量，检查衬砌结构的预加应力效果。本文试验中，围岩内径2.4 m，轴向长度0.8 m，钢板厚底16 mm；衬砌结构外径2.4 m，内径2.0 m，轴向长度0.8 m，C40混凝土。有关本文试验的具体参数见表1、图3和图4。

表1 两次室内模拟试验参数

图3 1#试验模拟（单位：cm）

4 试验结果分析

图4 2#试验模拟立面图

4.1 1#模拟试验结果（1）预应力响应。试验时逐渐加大注水压力，并记录下环向压缩变形值。首先控制注水压力1 MPa，反复多次加压和卸压，试验结果表明重复性很好。然后将控制注水压力继续加大，当压力超过1.2 MPa后，发现沿衬砌混凝土圆环中间位置出现一条连续的环向裂缝，肉眼清晰可见，当压力大于1.5 MPa后，发现圆环形扁千斤顶和衬砌混凝土之间渗水，遂终止试验。

图5为环向预压应力σθ与注水压力P关系曲线。从图5中可以看出，在注水压力小于1.0 MPa前后，试验数据出现了突变，这与衬砌结构出现环向裂缝时机相吻合。根据有限元计算结果，在出现裂缝（注水压力小于1.0 MPa）前注水压力和环向预压应力为线性变化，环向预压应力为注水压力的3.5倍，与试验结果环向预压应力为注水压力的3.3倍相接近，相差不到6%，说明注水压力和预加应力具有较好的线性关系。

（2）环向裂缝成因分析。针对在试验中衬砌混凝土内壁出现的环向裂缝，进行了有限元模拟计算，结构尺寸和材料参数与室内模拟试验的参数一致。取四分之一圆环作为研究对象，有限元模拟采用空间8节点等参单元，材料采用线弹性材料模拟。

图6为水压力分别为1.2 MPa和1.5 MPa时的轴向应力分布。从图6可以看出，在1.2 MPa水压力作用下衬砌混凝土内壁中心位置轴向应力为3.8 MPa，在1.5 MPa水压力作用下衬砌混凝土内壁中心位置轴向应力为4.95 MPa，均大于模拟试验所采用混凝土材料的劈裂强度2.71 MPa，所以在1.2 MPa水压力作用下即出现了环向裂缝，同时裂缝开度随水压力增大而继续增大，与现场试验情况相吻合。

图5 环向预压应力σθ与注水压力P的关系曲线

图6 轴向应力分布

4.2 2#模拟试验结果2#模拟试验在用水泥浆施加外预应力前，首先用水施加预应力检查圆环形扁千斤顶密封性。检查完成后，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。注浆采用U-3型灰浆泵，从注浆孔进入，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（1.8 MPa），并记录下相应的环向变形值，发现渗漏现象。环向预压应力σθ与注浆压力P的关系曲线见图7。

图7 环向预压应力σθ与注浆压力P的关系曲线

根据有限元计算结果，注水压力和环向预压应力为线性变化，环向预压应力为注水压力的 6.8倍，与试验结果环向预压应力为注水压力的7.1倍相接近，相差不到5%，模拟试验能反映实际工作条件，可以线性施加预加应力。

4.3 室内模拟围岩变形与同尺寸围岩弹性变形比较试验中采用厚钢板模拟围岩约束，所采用钢板厚度为16 mm，内径为240 cm，尽管该模拟与真实围岩之间有较大的差异，但由于该模拟围岩在圆环形扁千斤顶加压过程中会发生环向和径向变形，与实际围岩具有一定相似性，可以在一定程度上反映围岩的变形。根据材料力学薄壁圆筒应力应变计算公式，模拟围岩在灌浆压力作用下的环向应力和变形计算公式如下：

式中：σθ为模拟围岩的环向应力；uθ为模拟围岩的环向变形；p为灌浆压力（取最大灌浆压力1.8 MPa）；E为钢材弹性模量（取200 GPa）；D为模拟围岩内径（取2.4 m）；δ为模拟围岩厚度（16 mm）；

根据式（3），试验条件下（1.8 MPa灌浆压力作用下）模拟围岩的环向拉应力最大达到135 MPa，模拟围岩的环向变形5.1 mm。

对于施工期灌浆条件下，假定围岩变形是弹性力学中无限大板孔内受力变形的模拟。对于围岩初始地应力为q、围岩内摩擦角φ、围岩黏结强度c的条件下，当圆环形扁千斤顶内施加灌浆压力pt低于屈服强度时，围岩处于弹性阶段［8］，根据弹性力学因灌浆压力产生的围岩径向变形可以由无限大板孔内受力计算，此时隧洞围岩环向变形为：

其中：μd、Ed分别为围岩的泊松比和弹性模量；pt为灌浆压力；r为隧洞开挖半径（圆环形扁千斤顶外径）。

假定在围岩处于弹性阶段条件下，对于同样结构尺寸和灌浆压力作用的围岩变形，依据规范选取不同围岩材料参数［9］按照式（4）进行类比计算，计算结果详见表2。

表2 相同尺寸和灌浆压力条件下不同围岩在弹性阶段环向变形

表2中可以看出，从模拟围岩变形的角度来看，本次试验所采用的钢板模拟围岩变形基本上与同尺寸、同灌浆压力条件下的Ⅳ类围岩变形接近，也说明模拟试验在围岩变形计算方面可以模拟弹性状态Ⅳ类围岩约束变形条件。

5 结论

（1）基于圆环形扁千斤顶技术的压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术可以控制灌浆量和灌浆压力，在理论上能达到预应力衬砌效果，并可以省去预应力钢材，简化了施工工艺，且不存在预应力钢材的锈蚀问题，更加安全可靠。

（2）模拟试验中，在工厂内用1 mm厚的薄钢板加工、制作成标准圆弧段，检验合格后运至工地现场安装在围岩和衬砌混凝土之间，各标准圆弧段之间则以丝扣钢管连接成封闭的圆环状，待衬砌混凝土达到设计强度后，再通过高压泵向圆环形扁千斤顶内注入压力水（浆液）对衬砌混凝土施加外预应力的方法是可行的，其环向预压应力与注水压力呈正比例关系，可以达到预应力效果。

（3）模拟试验中，由于圆环形扁千斤顶布置不当，可能会导致衬砌结构出现环向裂缝，因此在实际工程设计时应通过结构设计等措施避免该现象发生。

（4）模拟试验中的围岩变形量与同结构尺寸和灌浆压力条件的Ⅳ类围岩弹性阶段变形接近，说明基于圆环形扁千斤顶技术的新型压力隧洞预应力技术具有较好的适应性。

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［ 7］ SL279-2002，水工隧洞设计规范［S］.

［ 8］ 蔡晓鸿，蔡勇平.水工压力隧洞结构应力计算［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［ 9］ GB50218-94，工程岩体分类标准［S］.

Simulation experiment of a new technology of pre-stressed concrete lining in pressure tunnel

HUANG Hao1，2，LIU Zhibin1，2，YUE Yuezhen1，2，HAO Jutao1，2
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，Beijing 100038，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Based on the existing technology of pre-stressed concrete pressure tunnel lining，a new technolo⁃gy of pre-stressed concrete lining technology with ring flat jack is put forward.The key equipment to imple⁃ment this idea is a ring shape flat jack，which is made of thin steel as hollow circular pressure bag，and which can impose uniform compressive stress of tunnel concrete lining layer through radial displacement. From the simulation experiment，it is proved that circular flat jack made by thin steel plate can apply pre-stress on the lining structure through grouting orinjection，and the circumferential pre-compression stress of the lining structure is linear with the injection pressure，which is consistent with the theoretical re⁃sults.

pressure tunnel；pre-stressed concrete lining；simulation experiment；flat jack

TV332

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.01.003

1672-3031（2015）01-0014-06

（责任编辑：王冰伟）

2014-03-28

中国水利水电科学研究院科研专项（结集1366）

黄昊（1982-），男，河南新野人，博士生，工程师，主要从事水工结构材料研究。E-mail：huangh@iwhr.com