引松隧洞預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計算分析

1、第28卷第5期20l1年5月長江科學(xué)院院報JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVo128No。5Mav20l1文章編號：1001—5485(2011)O5—0063一o4引松隧洞預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計算分析劉陽，王倩，劉陽(女)(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，長春130021)摘要：針對吉林省中部城市引松供水工程機(jī)械式后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌輸水隧洞工程，采用普通解析法和

2、彈塑性有限元2種計算方法，對預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行了計算對比分析，提出了有限元計算結(jié)果是合理可行的。計算結(jié)果表明：對于本工程線路穿越溝谷及波狀臺地區(qū)的多段淺埋有壓隧洞，采用預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是切實(shí)可行的。對于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌隧洞這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，采用有限元計算能夠更好地模擬開挖、預(yù)應(yīng)力施加、圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，相對于普通的解析法，其計算結(jié)果更接近實(shí)際，對控制工程總投資可起到關(guān)鍵作用。同時總結(jié)了預(yù)應(yīng)力襯砌的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景，

3、提出了需要進(jìn)一步研究和探討的問題。關(guān)鍵詞：引松供水工程；隧洞；預(yù)應(yīng)力；襯砌中圖分類號：TV7323文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1概述近年來，我國水利水電工程預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展較快，從壩工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到水工隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。繼清江隔河巖水電站引水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌錨束施工獲得成功之后，天生橋一級水電站引水隧洞工程、小浪底水庫排沙隧洞工程、大伙房水庫輸水工程、南水北調(diào)中線穿黃工程等均采用了這一技術(shù)。吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省境內(nèi)，從第

4、二松花江豐滿水庫庫區(qū)引水，解決吉林省中部地區(qū)用水的大型長距離調(diào)水工程。多年平均引水量為897億m，設(shè)計引水流量為38m／s。輸水總干線全長約110km，其中隧洞段長97km。線路穿越飲馬河與雙陽河及兩岸臺地處，地貌以波狀臺地為主，建筑物隧洞與埋管交替，長達(dá)228km。有壓隧洞洞徑66in，埋深12～45m，圍巖風(fēng)化層較厚，巖石強(qiáng)度低，圍巖類別以ⅣV類為主，圍巖抗?jié)B能力較差，在該段考慮采用抗裂設(shè)計，采用后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)形式

5、。由于預(yù)應(yīng)力襯砌造價較高，在保證工程安全的前提下襯砌計算成果采用值的合理性對控制工程投資起到關(guān)鍵作用。目前隧洞襯砌計算采用的方法主要分為2大類：一類是常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)法(解析法)，考慮圍巖的抗力作用，假定抗力分布后按超靜定結(jié)構(gòu)計算襯砌內(nèi)力；另一類是有限元法(數(shù)值計算法)，是將襯砌與圍巖作為整體進(jìn)行計算。本文對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的計算，采用解析法和有限元計算方法進(jìn)行對比分析。2襯砌布置及計算條件預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)形式如下：襯砌斷面內(nèi)側(cè)布置錨具槽，通過鋼

6、絞線張拉變形，使襯砌受到擠壓，使襯砌截面形成預(yù)壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度無粘結(jié)低松弛l860級6‘pJ152鋼絞線，公稱截面面積A=6140mm。預(yù)應(yīng)力筋束沿管道軸向的中心間距為386mm，采用雙層雙圈無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線環(huán)形游動錨支撐變角張拉技術(shù)，環(huán)錨錨板錨固端和張拉端各設(shè)6個錨孔，內(nèi)層3根鋼絞線從錨固端起始沿內(nèi)層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入內(nèi)層張拉端，外層3根鋼絞線從錨固端起始沿外層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入外層張拉端，鋼絞線錨固端與張拉端包角為23

7、60。。兩側(cè)錨具槽位置圓心夾角80。，預(yù)留內(nèi)槽口長度為12in，中心深度為025m，寬度為020m。以引松工程1號隧洞l5839斷面為例。隧洞埋深305m，洞徑66m，該計算斷面處內(nèi)水壓力水頭為437m，外水壓力水頭為217m。預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土采用C40W10，襯砌厚度為500mm。鋼絞線張拉控制應(yīng)力17“=075，=1395MPa。錨具采用夾片環(huán)錨，錨具變形和鋼筋內(nèi)縮值0=5mm。預(yù)應(yīng)力鋼絞線與孔道壁的摩擦系數(shù)=00035，考慮收稿日

8、期：2011O1o6作者簡介：劉陽(1972一)，男，吉林長春人，高級工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)的科研與設(shè)計，(電話)043185661815(電子信箱)liuy—an@100108@163tom。第5期劉陽等引松隧洞預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計算分析4960個8節(jié)點(diǎn)的空間等參單元。計算網(wǎng)格及襯砌關(guān)鍵點(diǎn)見圖2、圖3，選用參數(shù)見表2。I。。。1_T__H—一r—T【Iljf一卜H十H十H十十士封土==L————!～：一一—、‘‘●。。。?！?/p>

9、斗十十斗十十一———Ll—_r斗什什一llL上一L一：Ⅱ]耳：：【；；【：圖2Fig2計算模型網(wǎng)格圖圖3襯砌關(guān)鍵點(diǎn)示意圖CalculationmeshFig3Keypointsoflining表2選用圍巖物理力學(xué)參數(shù)表Table2Physicalmechanicalparametersoftherock42混凝土襯砌位移變化規(guī)律隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)的位移值見表3。從表中可以看出位移量值都不大，分布規(guī)律：襯砌頂部位移較??；邊墻次之；底部最大

10、。43混凝土襯砌應(yīng)力變化規(guī)律隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)的第一和第三主應(yīng)力值見表4。從表中可以看出襯砌的頂部應(yīng)力較小，底部應(yīng)力較大，應(yīng)力值從頂部向底部逐漸增大。表3隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)圍巖位移值Table3Displacementvaluesofthekeypointsontheliningoftunnelsectioninin表4隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)第一、三主應(yīng)力值Table4Thefirstandthirdprincipalstressesoft

11、hekeypointsontheliningoftunnelsectionMPaⅥ1A頂拱B右側(cè)C底板D左側(cè)上優(yōu)一!!!內(nèi)水一034123一O36135—039141036131查二旦：：竺：：旦：二：塑二：：：：：=：44混凝土襯砌內(nèi)力變化規(guī)律襯砌的軸力圖、彎矩圖見圖4。從圖上可以看出，內(nèi)水壓作用下，軸力為拉，彎矩為向外彎，說明內(nèi)緣受拉，外緣受壓；外水壓作用下，軸力為壓，彎矩為向內(nèi)彎。45結(jié)果合理性分析從上述計算結(jié)果看，在內(nèi)水作用下襯

12、砌的變形都控制在013—022mm以內(nèi)，襯砌的拉應(yīng)力控制在123—141MPa，不超過C40混凝土允許拉應(yīng)力，滿足規(guī)范抗裂設(shè)計要求。軸力分布在500—700kN之間，彎矩分布在49kN1TI以內(nèi)，可視為小偏心受壓構(gòu)件。這說明襯砌結(jié)構(gòu)受力條件較好，能夠滿足要求。在外水壓作用下，襯砌結(jié)構(gòu)受力變形都控制在01lITlnl以內(nèi)，襯砌沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，軸力、彎矩值都很小，說明外水壓對襯砌結(jié)構(gòu)受力不起控制作用，整個結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。其計算應(yīng)力及位移分

13、布規(guī)律與國內(nèi)類似工程所做的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，因此，計算結(jié)果可以用于引松隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。軸力分布：彎矩分布：t：t0oouter(b)外水工況圖4隧洞襯砌斷面軸力圖、彎矩圖Fig4Theaxialforceandbendingmomentplotoftheliningoftunnelsection46兩種計算方法對比分析從上述2種方法的計算結(jié)果可以看出，普通解析法的斷面應(yīng)力分析為簡化模型的結(jié)果，沒有充分考慮圍巖與襯砌的相互影響

14、作用，應(yīng)力值較大，只適用于那些邊界條件簡單及介質(zhì)特性不太復(fù)雜的情況，對優(yōu)化隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計提供的參考價值不大。而有限元法，與實(shí)際施工采用的”新奧法”理論結(jié)合較好，考慮了地下巖體結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體及結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、變形大小和分布，并可近似地依據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析隧洞的變形破壞機(jī)制。從國內(nèi)工程實(shí)例看，清江隔河巖水電站引水隧洞1：l襯砌張拉模型試驗(yàn)、黃河小浪底排砂洞現(xiàn)場1：1結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、天生橋一級水電站引水隧洞原位1：l環(huán)