隧洞无粘结环锚预应力混凝土衬砌技术研究进展

2018-01-11薛兴祖

山西建筑 2017年36期

薛兴祖

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林长春 130021)

1 概述

水工隧洞可分为有压隧洞和无压隧洞，有压隧洞需设置衬砌，衬砌与围岩共同承担荷载，保证隧洞安全和围岩稳定。随着水压的提高，则需要采用预应力混凝土衬砌，隧洞预应力混凝土衬砌又可分为被动预应力和主动预应力两种型式。被动式结构通常又称为灌浆式预应力结构，它是指在衬砌和围岩之间形成一个环形的空隙，再用压力注浆填满空隙，通过灌浆压力使衬砌受压从而形成预应力。被动预应力结构要求围岩要有足够的强度和厚度，目前最常见的施工方法有基泽尔(Kiesser)环形中空和特罗尔(Tyrol)水电公司TIWAG的空隙注射法[1-6]。

主动式预应力结构，又可分为先张预应力结构和后张预应力结构。环锚预应力衬砌结构是典型的后张预应力混凝土结构[1,3]。按钢绞线与混凝土是否有粘结力环锚衬砌结构又可分为有粘结环锚预应力混凝土衬砌结构和无粘结环锚预应力混凝土衬砌结构。有粘结环锚预应力混凝土衬砌是指在混凝土浇筑之前，预埋一圈金属波纹管，然后支模浇筑混凝土，浇筑28 d后，将钢绞线穿入预埋的金属管道，然后在锚具槽内进行张拉并锚固，最后向空心波纹管道内灌浆，使浆液和钢绞线粘结在一起。无粘结环锚预应力混凝土衬砌是指在浇筑混凝土前将无粘结钢绞线和普通非预应力钢筋一起铺设在模板内，浇筑混凝土满28 d后在锚具槽内进行张拉和锚固[4-10]，无粘结钢绞线是一种外部裹以塑料PE套管，内部空隙填充油脂的钢绞线，当钢绞线张拉时，可以和PE套管之间相互滑动。

2 无粘结环锚预应力混凝土衬砌技术的优缺点

目前国内外已经修建了大量环锚衬砌结构，从已建工程的特点来看，和钢板—钢筋混凝土衬砌相比，无粘结环锚预应力混凝土衬砌具有以下优点：1)工程量小，工程造价明显降低。已建工程施工经验表明[11]，与钢板衬砌相比，由于使用高强度钢绞线，环锚预应力混凝土衬砌可大量降低钢材的使用，可降低工程造价10%～30%。2)运输和施工较为方便，钢板衬砌需要对大直径钢板进行运输和现场焊接，这在隧洞内完成将非常困难。小浪底排沙洞工程采用环锚衬砌结构施工进度比预计的两年时间提前了近半年[11]。3)环锚预应力混凝土衬砌抗裂性能强，并具有在超载开裂后卸载裂缝自动闭合等优点，而钢板衬砌一旦出现屈服，将不可逆的产生严重后果。4)在隧洞放空检修期，环锚衬砌不会像钢板—钢筋混凝土衬砌一样存在屈曲失稳的潜在缺点。

无粘结环锚衬砌与灌浆式预应力衬砌相比，具有以下优点[4,12]：1)灌浆式预应力混凝土衬砌要保持永久预应力，对围岩要求较高，需要围岩有足够的厚度或覆盖层厚度，而环锚式预应力衬砌对围岩几乎没有要求，适用于地质条件更恶劣的环境。2)环锚衬砌通过锚索张拉获得预应力，在设计时可不考虑围岩作用，适用于软岩中，并能在超载开裂后卸载裂缝自动闭合，灌浆式预应力则对荷载条件要求较高。3)环锚式预应力混凝土衬砌可解决高内压隧洞的修建难题，并能通过控制张拉力控制预应力大小，且预应力较为均匀。4)因环锚衬砌使用高强度无粘结钢绞线，因而锚索张拉提供的预应力可大幅降低衬砌厚度，节省钢材和隧洞开挖量。

无粘结预应力混凝土衬砌结构与有粘结相比，优点在于[1]：1)沿程环向预应力更加均匀；2)隧洞轴向方向的应力也更加均匀；3)环锚间距更大，锚具槽数量大幅减少，减少了大量施工量，工程成本大幅降低；4)减小了锚具槽过渡段处的不均匀径向应力；5)不需要在混凝土浇筑后穿入钢绞线，节省了施工时间；6)不存在在隧洞顶部进行操作的困难工作环节；7)环锚间距增大，有足够的空间设置止水带；8)无粘结钢绞线和PE套管之间存在防腐油脂，使得预应力钢绞线更耐腐蚀。

当然无粘结预应力混凝土衬砌结构也存在一些缺点：1)预应力体系会因锚固失效而失效；2)需要绑扎大量钢绞线，且钢绞线定位要求较高；3)由于钢绞线和部内钢筋密集，空间较少，混凝土浇筑时振捣较困难，对混凝土的骨料要求高。

3 无粘结环锚衬砌结构的工程应用

1973年VSL公司在意大利San Fiorimo水电站调压井工程中开创性的采用有粘结环锚式预应力衬砌，开创了预应力环锚技术的新时代。从1973年到1977年，短短几年时间内，VSL公司在意大利采用有粘结环锚预应力技术共修建了3个调压井和3条有压隧洞，并于1978年在瑞士修建了世界上第一条无粘结环锚预应力隧洞，形成了一套比较成熟的环锚预应力混凝土衬砌技术和施工机具[13-19]。随着意大利Presenzano隧洞的完工，因国外发达国家的水电资源已基本开发完毕，所以近20多年来，国外无粘结环锚预应力衬砌技术的应用和研究非常少，几乎未见新的报道。我国无粘结环锚工程应用始于1998年修建的黄河小浪底排沙洞工程，近20年来又修建了辽宁大伙房水库输水道工程，西龙池抽水蓄能电站和东深供水工程。其中规模最大的小浪底排沙洞工程，技术最为成熟的也是小浪底工程，后续几个工程都是参照其技术进行修建，未有大的技术突破。国内外采用无粘结预应力衬砌结构形式的工程如表1所示[4]。

从已建工程相关资料来看，无粘结预应力衬砌结构很好解决了高内压隧洞的问题，但已建工程或多或少也存在一定的问题，例如小浪底排沙洞运行10多年以来，整体运行状况良好，埋设于衬砌内的长期监测仪器监测数据显示预应力分布均匀，放空检修期进洞检查，隧洞内壁未出现裂缝，但发现了某些锚具槽局部防腐油脂渗出的现象，分析原因为锚具槽混凝土回填不够密实导致，通过注水实验发现空隙约占回填混凝土体积的10%[4]，这对于保证衬砌结构的一体性是非常不利的。国内后续几个无粘结环锚预应力工程几乎都是参照小浪底工程进行设计施工的，未对衬砌结构做出实质性的优化。吉林省中部城市引松供水工程正计划进行14.7 km的无粘结环锚预应力衬砌施工，目前仍在设计和试验阶段。相比小浪底排沙洞工程，目前经过了20多年的发展，我国预应力体系得到了长足的发展，在工程应用中，锚固系统及张拉机具都由进口设备转为国产设备，由此带来的工程造价的降低使越来越多的水工隧洞应用无粘结环锚这一先进技术进行施工成为现实，这对我国预应力衬砌技术的发展将起到积极发展的作用。

表1 国内、外主要无粘结环锚预应力衬砌工程

4 无粘结环锚衬砌结构的发展方向

作为一种新型支护结构，无粘结环锚预应力衬砌技术具有很多优点，在有压输水隧洞方面具有广阔的应用空间，但目前无粘结环锚预应力衬砌作用机理尚不明确，缺乏相应的设计规范，给工程结构设计带来困难。对于无粘结环锚预应力衬砌而言，应把握以下发展方向：1)建立科学的设计计算方法。目前已建的几个工程在进行无粘结环锚预应力衬砌设计时，均是结合内水压力和工程地质条件，先根据经验，假定衬砌厚度、锚索间距、锚索根数、锚索张拉力等，然后利用数值试验和模型试验检验其是否满足工程要求，若不能满足要求，再对某些参数做出经验性的调整，并再次利用数值模拟或模型试验进行检验，依次循环。这种设计方式效率较低，虽能满足实际工程需求，但需耗费大量人力和物力，应根据已有工程资料，进行科学设计，提出科学系统的设计理论和计算方法，并完成相关规范的编制工作。2)衬砌结构型式和施工工艺的优化。已建无粘结环锚工程或多或少暴露了一些问题，例如小浪底出现部分锚具槽漏油现象。对无粘结环锚衬砌结构进行优化或改进锚具槽施工工艺有望解决这一问题，无粘结环锚衬砌技术要得到广泛应用，也必然要克服这些缺点。3)施工机具的轻便化。无粘结环锚预应力技术源于国外，国内相应的施工机具发展滞后，在小浪底排沙洞时期锚具和张拉机具等都由国外生产商提供，增加了工程成本。而随着近20年来国外工程的凋零以及国内工程的兴起，国产设备技术已经迎头赶上，但仍需在施工轻便化方面继续发展。4)更先进锚具槽防腐技术的研究。无粘结预应力衬砌最薄弱位置为锚具槽，锚固系统的耐久性关系到整个预应力结构的使用年限，因而锚具槽防腐是整个预应力结构耐久性的关键点，彻底解决锚具槽防腐问题，可使无粘结环锚预应力衬砌结构具有更大的应用前景。

[1] 林秀山,沈凤生.小浪底工程后张法无粘结预应力隧洞衬砌技术研究与实践[M].郑州:黄河水利出版社,1999.

[2] 任海波.无粘结环锚预应力混凝土衬砌结构优化设计研究[D].天津：天津大学,2007.

[3] 张博.环锚无粘结预应力混凝土衬砌结构优化[D].天津：天津大学,2012.

[4] 随春娥.小浪底无粘结环锚预应力混凝土衬砌结构应力状态及安全评价分析[D].天津：天津大学,2014.

[5] 金兆辉.无粘结预应力混凝土压力隧洞的设计研究[D].南京：河海大学,2006.

[6] 金秋莲.无粘结环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析研究[D].天津：天津大学,2005.

[7] 李晓克.预应力混凝土压力管道受力性能与计算方法的研究[D].大连：大连理工大学,2003.

[8] 张雪涛.锚具槽回填混凝土自应力效果试验研究[D].天津：天津大学,2012.

[9] 王晓哲.环锚无粘结预应力混凝土衬砌隧洞在线监测及安全评价研究[D].天津：天津大学,2013.

[10] 林秀山,沈凤生.排沙洞无粘结预应力混凝土衬砌的研究与实践[J].水力发电,2000(8):46-49.

[11] 俞祥荣,唐小萍,亢景付.双圈环绕无粘结预应力混凝土衬砌施工技术[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[12] 贾硕.环锚预应力混凝土衬砌结构锚具槽区域的应力状态分析[D].天津：天津大学,2014.