盾構高壓輸水隧洞新型半埋式鋼管復合襯砌結構研究

李志云，楊光華,，劉清華，賈 愷，徐傳堡，姜 燕

(1. 廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635；3.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

常規盾構隧道工程中，隧洞襯砌結構較為簡單，一般僅由盾構管片組成，主要用來承擔隧道外的水土壓力，這種條件下隧道襯砌結構的受力狀態明確，許多學者已做了很多相關的研究[1-5]。但用于承受內水壓力或內外水土壓力的隧洞襯砌結構型式及其應力狀態則相對研究較少，尤其是在高內水壓力情況下采用何種結構型式，其受力特征如何，目前仍鮮有涉足。

當前用于承受內水壓力或內外水土壓力的盾構隧洞襯砌結構型式主要有以下幾種[6]：①單層襯砌結構；②疊合式雙層襯砌結構；③復合式雙層襯砌結構；④分離式雙層襯砌結構。第一類單層襯砌結構，襯砌僅由盾構管片組成，用以承擔內外水土壓力；第二類疊合式雙層襯砌結構，由盾構外襯與二襯緊密結合而成，兩者共同承擔內外水土壓力，內外襯間可以傳遞拉壓力及剪力；第三類復合式雙層襯砌結構，結構類似第二類結構，但是內外襯僅傳遞壓力；第四類分離式雙層襯砌結構，內外襯之間設立隔離層，外襯承擔外水土壓力，內襯承擔內水壓力。近年來國內外有不少工程采用盾構隧洞襯砌結構型式進行有壓輸水如埃及的穿越蘇伊士運河輸水隧洞工程[7]，我國的南水北調的穿黃工程[8-9]，南水北調團九工程[10]，南水北調配套工程南干渠工程[11]，上海青草沙源水供水工程[12-13]和廣州的西江引水工程[14]等。正準備建設的珠江三角洲水資源配置工程擬采用盾構隧洞的方式建設輸水管道，其最高內水壓力達到了1.1 MPa，是目前國內采用這種隧洞內壓最高的，在世界上也是少有的，其初步考慮采用類似廣州西江引水工程的結構形式，用鋼管內襯單獨承擔內水壓力，盾構管片承擔外水土荷載，這是受力最安全的結構型式。目前高內水壓力的輸水盾構隧洞基本是采用這種內外襯獨立承擔的最安全模式，但不一定是最合理的。

為此，本文基于分離式雙層襯砌結構,提出一套盾構輸水隧洞新型半埋式鋼管復合襯砌結構，該種襯砌結構包括：盾構管片外襯、鋼管內襯、內外襯間不同填充程度的自密實混凝土及軟墊層。依托珠江三角洲水資源配置工程的地質情況與設計資料，利用ABAQUS有限元分析軟件分析新型半埋式鋼管復合襯砌結構在不同自密實混凝土填充程度，不同軟墊層位置及厚度等條件下，鋼管內襯及自密實混凝土的應力、外襯盾構管片的變形。根據計算結果，確定復合襯砌結構的合理性，并為高壓輸水隧洞結構設計提供一種可行方向。

1 新型半埋式鋼管復合襯砌結構建立及計算工況

1.1 新型半埋式鋼管復合襯砌結構建立

盾構輸水隧洞新型半埋式鋼管復合襯砌結構，不同于常規分離式雙層襯砌結構，內襯鋼管與外襯盾構管片間雖然隔離開，但是鋼管與盾構管片間自密實混凝土并不填充滿，而是采取半埋式，即不完全填充，在保障外襯承擔外水土壓力，內襯承擔高內水壓力的同時，方便施工，且利于排水。其結構包括：盾構管片外襯、鋼管內襯、內外襯間不同填充程度的自密實混凝土及軟墊層。結構型式示意見圖1。

為了解半埋式鋼管復合襯砌結構的適用性，設計了4種半埋式結構：1/3包圍自密實混凝土結構、1/2包圍自密實混凝土結構、2/3包圍自密實混凝土結構、全包圍頂部露空自密實混凝土結構。

1.2 新型半埋式鋼管復合襯砌結構計算工況

依托珠江三角洲水資源配置工程的地質情況與設計資料，新型半埋式內襯鋼管計算基于外徑6 m，過水內徑4.8 m的輸水隧洞，內外襯之間填充自密實混凝土，隧洞埋深約40 m，設計最大內水壓力為1.1 MPa，鋼管壁厚為16 mm，隧洞上覆粉質黏土及巖層，其中土層模量為30 MPa，覆蓋層圍巖最小厚度約1倍洞徑，最小模量為2 GPa，計算內容見表1所示。

鑒于內外襯分別受力，且盾構管片承擔外水土壓力的計算理論較為成熟，故本次計算不考慮外水土荷載，僅分析內水壓力對復合結構的影響，考慮上覆地層的主要目的是分析復合結構變形及應力對于地層抗力的敏感性。

基于圖1結構示意與上述分析工況，采用ABAQUS有限元分析軟件，建立復合襯砌結構計算模型見圖2所示。

2 新型半埋式鋼管復合襯砌結構計算結果與常規結構計算結果對比

2.1 新型半埋式鋼管復合襯砌結構計算參數

根據楊光華[16]等人的理論，利用剛度等效，將盾構管片等效成一個均質圓環，圓環剛度計算公式如下：

(1)

(2)

式中ks，kF，kL，kB為接縫處螺栓剛度、封頂塊剛度、連接塊剛度、標準塊剛度；Ac為管片橫截面積；nJ，nF，nL，nB為接縫個數，封頂塊個數，連接塊個數，標準塊個數；K為盾構管片總剛度；E為盾構管片等效模量；L為盾構管片中性軸周長。

盾構管片尺寸及參數：C55混凝土Ec=35.5 GPa，管片寬B=1 500 mm，厚H=300 mm，Ac=450 000 mm2。螺栓計算參數：彈性模量Es=200 GPa，As=182.25π mm2，螺栓水平投影長度Ls=488.61 mm。接縫與管片個數：nJ=6，nF=1，nL=2，nB=3。

根據公式(1)(2)，外襯等效彈性模量為Ec=2.98 GPa。

根據珠江三角洲水資源配置工程盾構隧洞設計資料，隧洞內襯鋼管采用Q345C鋼管，根據《低合金高強度結構鋼》(GB/T 1591)[17]，Q345C鋼管屈服強度335 MPa，σs使用值為329 MPa，根據《水電站壓力鋼管設計規范》(SLT 281—2003)[18]，對于明管，許用應力[σs]=0.55σs=181 MPa。根據楊光華[16]盾構管片允許徑向變形2 mm。

計算參數見表2所示。

其中p為內水壓力；t為鋼管壁厚；E1為土層模量；E2為巖層模量；Ec為外襯盾構管片模量；Es為內襯鋼管模量；Ez為自密實混凝土模量；[σs]為鋼管許用拉應力；[σz]為自密實混凝土許用拉應力。

2.2 新型半埋式鋼管復合襯砌結構計算結果

以第二部分計算內容,軟墊層位于自密實混凝土內側1/3包圍自密實混凝土復合襯砌結構計算結果為例。計算結果見圖3～5。

將第一部分，第二部分1/3包圍自密實混凝土結構、1/2包圍自密實混凝土結構、2/3包圍自密實混凝土結構、全包圍頂部露空自密實混凝土結構及常規分離式雙層襯砌結構的主要計算結果，繪制成表3～8和曲線圖6～11所示。

2.2.1全土層計算結果

2.2.2隧洞頂部1倍洞徑覆蓋巖厚計算結果

2.3 小結

1) 根據計算結果

外覆土層巖性對鋼管應力影響不大，自密實混凝土包裹范圍在1/2～2/3范圍內鋼管應力大于全包圍及常規復合結構狀態，但是16 mm鋼管依舊可以滿足1.1 MPa內水壓力要求；

2) 根據自密實混凝土應力計算結果

不加軟墊層或軟墊層敷設于自密實混凝土外側，承擔1.1 MPa內水壓力，自密實混凝土會開裂；

軟墊層敷設于自密實混凝土內側，承擔1.1 MPa內水壓力，半埋式自密實混凝土結構(1/3～2/3包裹范圍)混凝土不會開裂；

3) 根據盾構管片變形計算結果

輸水管道外覆地層對盾構管片變形影響較大，覆蓋1 d圍巖(模量2 GPa)可以保證盾構管片變形滿足要求。

3 結語

本文基于分離式雙層襯砌結構，提出了一套盾構輸水隧洞新型半埋式鋼管復合襯砌結構，其結構方式為：盾構管片為外襯，鋼管為內襯，內外襯間用不同填充程度的自密實混凝土，鋼管內襯外表面設置軟墊層。這種結構在保障外襯承擔外水土壓力，內襯承擔高內水壓力的同時，方便施工，且利于排水。

根據有限元計算結果，在一定條件下，半埋式自密實混凝土結構(1/3～2/3包裹范圍)可以有效承擔高內水壓力，同時保障填充自密實混凝土不會開裂，說明這種結構具有一定的可行性，可為高壓輸水隧洞設計提供參考。