大伙房水庫輸水隧洞預應力混凝土襯砌研究

魏長勇，欒衛中

（1.遼寧大伙房水庫管理局，遼寧 撫順113007；2.大唐長春第二熱電有限責任公司，吉林 長春 130000）

1 工程概況

大伙房水庫輸水（二期）工程是大伙房水庫輸水工程的配套工程，隧洞位于撫順市南郊，渾河南岸。隧洞段全長29 km，隧洞斷面為圓形，直徑6 m。

洞線穿越的地層屬華北地層區，主要為太古代花崗質片麻巖、中生界侏羅系小東溝組和白堊系梨樹溝組、燕山晚期侵入巖、新生界第四系及人工堆積物。洞線穿跨的巖體一般為微風化或新鮮，較完整，局部溝谷段或斷層帶為全風化～弱風化，破碎～完整性差。洞線穿過洞線的斷層有9條，斷層一般沿河谷發育，以較大角度與洞線斜交，以壓或壓扭性為主，區域構造相對穩定。

在IV、V類圍巖段，尤其是隧洞進出口段，多為頁巖、泥巖、凝灰巖、輝綠巖等軟巖，巖體破碎，風化嚴重，部分地段洞室上部圍巖厚度只有9 m，覆蓋層薄。不良地質條件下隧洞結構設計在二期工程隧洞段顯的更為重要。

2 隧洞預應力混凝土襯砌

2.1 初期支護

隧洞采用新奧法進行施工，初期采用噴混凝土，設置錨桿加鋼筋網，并根據圍巖情況局部設置鋼格柵等。

2.2 隧洞襯砌研究

2.2.1 后張法預應力混凝土襯砌的提出

因圍巖抗滲能力差，內水外滲將導致圍巖失穩，對上部環境破壞嚴重，很難處理，必須采取嚴格的防滲要求，襯砌結構按抗裂設計。應采用預應力混凝土或鋼板襯砌。

根據意大利、瑞士等國家，對輸水隧洞采用后張法預應力混凝土襯砌與鋼板襯砌的比較資料，輸水洞采用預應力混凝土襯砌，具有節省投資，施工期短，能保護其內部鋼筋和鋼絞線不致銹蝕的優點。

2.2.2 預應力鋼絞線布置

襯砌混凝土預應力是通過對布置在襯砌外緣的鋼絞線張拉實現的。為了張拉錨固，需在襯砌斷面內側布置錨具槽，通過鋼絞線張拉變形，使襯砌受到擠壓，使襯砌截面形成預壓應力。

預應力隧洞的預應力筋布置方案如圖1所示。預應力鋼筋采用高強無粘結低松馳1860級4×Φj15.24鋼絞線，公稱截面面積 Ap=4×139 mm2。預應力筋束沿管道軸向的中心間距為470 mm，采用雙層雙圈無粘結預應力鋼絞線環錨支撐變角張拉技術，環錨錨板錨固端和張拉端各設4個錨孔，內層2根鋼絞線從錨固端起始，沿內層圓周環繞2圈后進入內層張拉端，外層2根鋼絞線從錨固端起始，沿外層圓周環繞2圈后進入外層張拉端，鋼絞線錨固端與張拉端的包角為2×360°。預留內槽口長度為1.3 m，中心深度為0.20 m，寬度為0.20 m。

圖1 雙層雙圈無粘結預應力鋼絞線布置圖 mm

2.2.3 基本資料

1）材料特性。預應力襯砌混凝土強度等級C40，W10。混凝土軸心抗壓強度標準值fck=27.0 MPa、設計值fc=19.5 MPa，混凝土軸心抗拉強度標準值ftk=2.45 MPa，彈性模量 Ec=3.25×104MPa，泊松比νc=0.167。

預應力鋼筋采用1860級無粘結預應力鋼絞線，張拉控制應力σcon=0.75fptk=1395 MPa。錨具采用夾片環錨，錨具變形和鋼筋內縮值a=5 mm。預應力鋼絞線與孔道壁的摩擦系數μ=0.0035，考慮孔道每米長度局部偏差的系數k=0.0007。普通鋼筋采用標準熱軋II級鋼筋。

隧洞直徑為6 m，襯砌結構愈薄，預應力效果愈顯著，選定襯砌厚度500 mm。

2）荷載。內水壓力按50 m考慮，山巖壓力的計算與鋼筋混凝土襯砌計算型式相同，外水壓力按系數折減法估算，灌漿壓力為0.5 MPa。

3）荷載及其組合。計算考慮的主要荷載有山巖壓力、襯砌自重、內水壓力、鋼絞線張拉產生的預應力、外水壓力、灌漿壓力等荷載，并根據運用情況確定荷載組合。

根據工程建設及運用情況，計算考慮運行期、檢修期、施工期工況，鋼絞線應力計算，分為鋼絞線張拉控制值計算和預應力損失計算，Po＝0.75×fptk。錨具變形和預應力筋內縮引起的預應力損失按2階段考慮。

2.3 結構計算

2.3.1 結構計算模型

采用通用有限元分析軟件ANSYS，進行有限元數值模擬計算。

考慮圍巖厚度影響，取不小于兩倍的洞徑，實際按20 m引入計算。在所取計算范圍底部巖石邊界為全固定，頂部巖石邊界為自由；兩側巖石邊界為垂直邊界面的連桿約束。其中x，y坐標軸分別對應襯砌的水平和豎直方向，數值模型共計3078個節點、2978個單元。其中平面單元采用二維塊體元Plane42模擬，共計單元2710個；預應力鋼筋采用桿件元Link8模擬，共計單元268個。

預應力鋼絞線和鋼筋混凝土襯砌分別單獨建模，充分考慮了曲線預應力鋼絞線對混凝土的作用，使得有限元模型能夠更真實的模擬預應力鋼絞線的曲線形式。預應力鋼絞線的單元節點與鋼筋混凝土單元間通過約束方程法，建立起相互作用的關系，隧洞預應力襯砌數值模型中預應力鋼絞線單元節點和混凝土單元節點之間，通過約束方程建立節點耦合，共計512組約束方程。

2.3.2 計算原則

1）正常使用極限狀態驗算。預應力襯砌正常使用極限狀態設計表達式為：

式中：γ0——結構重要性系數，取1.1；Sk（·）——作用（荷載）效應組合的功能函數；c——結構的功能限值；Gk——永久作用（荷載）標準值；Qk——可變作用（荷載）標準值；fk——材料強度標準值；ak——結構幾何參數的標準值。

結構功能限值按二級裂縫控制等級取值：作用（荷載）效應短期組合下，結構受拉邊緣混凝土的允許拉應力限制系數αct=0.5，即：

作用（荷載）效應長期組合下，結構受拉邊緣混凝土的允許拉應力限制系數αct=0.3，即：

式中：σcs，σcl——分別為作用（荷載）效應短期組合、長期組合下驗算邊緣的混凝土法向拉應力；σpc——扣除全部預應力損失后在驗算邊緣混凝土的預壓應力；ftk——混凝土的軸心抗拉強度標準值；γ——截面抵抗矩塑性系數，取γ=1.55。

2）施工期應力驗算。預應力襯砌施工期應力驗算表達式為：

式中：σct，σcc——相應驗算工況計算截面邊緣纖維的混凝土拉應力、壓應力；ftk′，fck′——與相應驗算工況混凝土立方體抗壓強度fcu′相應的軸心抗拉、抗壓強度標準值。

2.3.3 應力計算結果

1）運行期。基本荷載組合作用下，隧洞預應力襯砌沿環向均為壓應力，最小環向預壓應力為-0.34 MPa，最大環向預壓應力為-1.77 MPa；預應力鋼筋最大拉應力為1110.2 MPa，最小拉應力為1055.2 MPa。滿足設計要求。

2）施工期。施工期隧洞預應力襯砌沿環向均為壓應力，最小環向預壓應力為-4.55 MPa，最大環向預壓應力為-23.89 MPa，不超過-24.3 MPa，即不大于0.9fck′；預應力鋼筋最大拉應力為1041.3 MPa，最小拉應力為996.1 MPa。滿足設計要求。

3）檢修期。檢修期隧洞預應力襯砌沿環向均為壓應力，最小環向預壓應力為-1.27 MPa，最大環向預壓應力為-20.43 MPa，不超過-27 MPa即不大于fck′；預應力鋼筋最大拉應力為1057.9 MPa，最小拉應力為982.6 MPa。滿足設計要求。

3 結論

根據上述3個工況的分析，可以得出以下結論：

1）各斷面均為壓應力，而且最大、最小應力分布均勻。

2）最大壓應力小于混凝土的允許壓應力。

3）全截面上的最小壓應力大于0，屬于全預應力混凝土機構。

4）隧洞預應力襯砌在各工況下的內力可滿足設計要求。

由于預應力混凝土施工的特殊工藝要求，上述計算結果有待于預應力襯砌實驗成果進行驗證。