預應力裝配式混凝土襯砌的技術原理及其在水工隧洞工程中的應用

李東平　祝　珺

摘要:分別論述了裝配式混凝土襯砌及預應力混凝土的技術特點,介紹了預應力裝配式混凝土襯砌技術特點及其在水工隧洞工程中的應用。

關鍵詞:裝配式;預應力;水工隧洞

1 裝配式混凝土襯砌的技術原理

在20世紀50年代以前,地下工程中的襯砌,無論是采用礦山法施工,還是采用掘進法施工,襯砌大都是現場澆筑的,只是對于一些對承載有特殊要求的區域采用了預制裝配式混凝土結構。這種預制裝配式結構具有以下優點:①便于工業化生產、勞動效率高、生產環境穩定、質量保證率高。②施工方便,模板和現澆混凝土作業很少,現場濕作業大大減少,有利于環境保護和減少施工擾民。③建造速度快,對周圍生活及工作環境影響小工期短,投資回收快。④預制結構構件表面光滑平整、外觀好、尺寸準確,并能夠和保溫、隔熱、水電管線布置等方面的功能結合起來,有良好的技術經濟效益。

但是,這種普通預制裝配式混凝土結構也存在著節點構造復雜、結構整體性差、節點抗震性能差等缺點。預應力技術的出現給地下工程的襯砌結構帶來一場革命。

2 預應力混凝土的技術原理

預應力混凝土結構是由普通鋼筋混凝土結構發展而來,早期預應力混凝土進入使用階段歸功于法國的工程師弗萊西奈(Freyssinet),他在1982年研制成功了預應力混凝土,并指出預應力混凝土必須采用高強鋼材和高強混凝土。預應力混凝土的原理為對結構承載時產生拉應力的部位,預先用某種方法對混凝土施加一定的預壓應力,以抵消或部分抵消結構承載時產生拉的應力,達到延緩受拉混凝土開裂或裂縫開展,使結構在使用荷載下不出現裂縫或不產生過大的裂縫。預應力混凝土的理論基礎包括:①預應力使混凝土成為彈性材料。將預應力混凝土構件看作混凝土經過預壓后從原來抗拉弱、抗壓強的脆性材料變成一種既能抗拉又能抗壓的彈性材料。混凝土承受兩個力系內部預壓力和外部荷載。外部荷載產生的拉應力被預壓力產生的拉應力所抵消。②施加預應力是為了使高強鋼材和混凝土能協同工作。將預應力混凝土看作高強鋼材與混凝土材料的組合,與鋼筋混凝土一樣用鋼筋承受拉力及混凝土承受壓力以抵抗外力彎矩。要充分利用混凝土結構中高強鋼筋的強度,必須在與混凝土組合時預先張拉,完成一定的變形量。預應力是一種充分利用高強鋼材的有效手段,預應力混凝土可以看作鋼筋混凝土的擴展。③施加預應力是實現部分荷載的平衡。施加預應力是試圖平衡構件上部分或全部荷載。如果預應力對截面產生的彎矩等于外荷載產生的彎矩,則構件處于軸心受壓狀態。

這三種不同的理論基礎為預應力結構的彈性設計、塑性設計及平衡設計提供了理論依據。預應力混凝土較普通鋼筋混凝土而言,具有下列主要優點:

①節約工程材料、減輕結構自重。由于預應力混凝土構件必須采用高強度鋼筋和高強混凝土,因而可以減小構件的截面,節省鋼材和混凝土,減輕結構的自重。預應力混凝土結構與普通鋼筋混凝土結構相比,可以節約20-40%的混凝土和30-60%受力鋼筋。②提高構件的抗裂性和剛度。施加預應力后,在使用荷載作用下,構件可以不出現裂縫或推遲裂縫的出現,構件剛度相應提高,結構的耐久性增強。③減小混凝土梁的剪力和主拉應力。由于平衡荷載的作用,預應力構件支座部分剪力減小又由于混凝土預壓應力的存在,使荷載作用下的主拉應力減小,有利于減小梁腹的厚度,減小結構的自重。④結構安全、質量可靠。施加預應力時,預應力筋和混凝土都將接受一次強度檢驗,對結構的安全和質量保證起到預檢驗的作用。

此外,由于預應力的存在,混凝土基本全截面參與受力,在疲勞荷載作用所引起的應力變化相對較小,因此施加預應力可以提高構件的抗疲勞性能。

3 預制裝配式預應力混凝土襯砌結構的技術原理

水工隧洞在內水壓力作用下,襯砌是承受拉應力的。由于混凝土的抗拉強度和延展性很低,當襯砌拉應力過大時,襯砌可能開裂,增加了透水性,還有可能危及其它建筑物的安全。對于高水頭的引水隧洞,不得不做成防滲的鋼板襯砌,或為了防滲的要求,做成很厚的鋼筋混凝土襯砌,這顯然是不經濟的。為了充分利用混凝土的抗壓強度和圍巖的承載能力,在施工時可采用各種不同的方法,對襯砌施加一種與內水壓力相反的徑向壓力,以抵消一部分或全部由內水壓力作用產生的拉應力,這樣就可以取消鋼板襯砌或使鋼筋混凝土襯砌厚度減薄。使襯砌結構獲得一定預壓應力的襯砌,稱為預應力襯砌。

采用預制裝配式預應力混凝土結構時,施加預應力一方面可以減輕結構自重、提高結構抗裂性,同時可以作為拼裝手段,提高節點的整體性和抗震性能。預制裝配式預應力混凝土結構的出現,既保留了預制裝配式結構的優點,又能夠克服其存在的缺陷同時擴大了預制裝配式結構的應用范圍,預應力技術在預制裝配式預應力混凝土襯砌結構的發展,最先體現在盾構隧道管片中的應用。

在盾構隧道方面,日本在20世紀90年代率先開展了預應力管片試驗研究,目的是用于小直徑、受內壓的隧道,在寢屋川流域恩智川東干線50m的下水道受內壓區間段使用的預制預應力管片外直徑為,厚150mm,寬1.0m,采用無粘結預應力鋼絲。

日本方面的研究表明預應力襯砌具有如下特性:①良好的經濟性。使用預應力襯砌可以節約聯接螺栓,節約內襯,同樣的內力作用下可以減小管片厚度。②良好的襯砌質量。減少結構出現的裂縫,使管片表面光滑、抗滲能力提高施加預應力可以減小施工時拼裝變形接頭的張角較小。③施工方便。省卻螺栓安裝,易于快速拼裝,張拉對隧道推進影響小。光滑的內表面。不需要環向螺栓的安裝手空,減少內部的外露鋼制部件,且內部裂縫同樣較少。④承受內水壓時,可以使混凝土處于受壓狀態,對結構防水和穩定性都有利。

國內對預應力裝配式襯砌進行的研究首推同濟大學進行的“盾構隧道預應力管片的模型試驗與設計方法研究”,(2004年)。該研究在模型試驗和有限元分析基礎上,得出如下結論:①與普通螺栓聯接的管片接頭剛度相比,預應力管片接頭剛度完全可以滿足管片設計的要求,并且在預應力施加噸位增大的情況下,還可以有所提高。②整環試驗結果表明預應力襯砌的縱向接縫位置的變化對結構的影響不同,整體的力學性能有相應的改變通過施加預應力,預應力管片所承受的荷載將大于同等條件下的普通管片。③預應力管片在整個施加外荷載的過程中,能夠較好地保持管環的真圓度,這將有利于管片受力均勻,防止管片管徑產生過大變形而產生裂縫,有利于其耐久性。④對于預應力管片試驗中裂縫的觀察可以看出,由于有預加應力的存在,裂縫的擴展并不是隨著外荷載的增大而有較大的變化,而且在荷載減小后,裂縫將自動閉合,這對于整個管片,甚至是整條隧道的耐久性都是十分有利的。

4 預應力混凝土技術在水工隧洞襯砌中的應用

預應力襯砌最早出現在歐洲,20世紀20年代G·布拉文首先提出了在襯砌與圍巖之間留一條專門的縫隙,用灌漿來形成預應力。1946年貝爾格也曾提出過用灌漿的辦法建造預應力襯砌。1942年,根據工程師蒙大尼的提議,法國艾依里水電站用灌漿的方法建造了預應力襯砌。20世紀40～50年代,在德國、意大利、南斯拉夫、法國、奧地利和前蘇聯先后建成了一批預應力襯砌的壓力隧洞。

壓力隧洞襯砌中的預應力按其施加形式可分為兩大類:一類是利用圍巖的彈性抗力,在襯砌混凝土環與圍巖之間的空隙內施加液體壓力(如高壓灌注水泥漿)擠壓襯砌混凝土環形成,此種方法形成的預應力永久保存的必要條件是,上覆巖體具有足夠的強度和厚度,圍巖比較完整、彈性好,否則會因蠕變而達不到預期效果,因而屬被動式預應力;二類是通過后張預置在襯砌中的預應力筋束擠壓襯砌混凝土環形成,屬主動式預應力,當襯砌環由預制管片組裝而成時,屬于預制管片預應力混凝土襯砌技術。現在大力推廣的襯砌混凝土是在隧洞內現澆成型的高效預應力混凝土技術。主動式預應力適用于任何圍巖條件,且因預應力度通過預應力筋束布置選定,具有靈活、可靠、持久的特點。

參考文獻

[1]杜拱辰,米祥友主編 面向21世紀的預應力混凝土[M].北京專利文獻出版社,1998.11.

[2]]王晉瑛 壓力隧洞預應力混凝土襯砌淺談[J].貴州水力發電17(4)2003.10.