隧洞預應力混凝土襯砌中單層與雙層鋼絞線襯砌受力性能分析

曾 強

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110179)

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隧洞預應力混凝土襯砌中單層與雙層鋼絞線襯砌受力性能分析

曾 強

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110179)

本文通過對比分析不同圍巖彈性抗力系數的情況下單層與雙層鋼絞線預應力襯砌受力性能的變化，找到合理的鋼絞線布置方式。

鋼絞線； 彈性抗力系數； 應力； 變形

大伙房水庫輸水(二期)工程是向撫順、沈陽、遼陽、鞍山、盤錦、營口六座城市供水的輸水工程。輸水線路總長253km，其中撫順段以隧洞為主，隧洞長29.1km。該工程引水規模613萬m3/d。

1 襯砌相關參數

工程隧洞級別為Ⅰ級。輸水隧洞采用圓形斷面，隧洞直徑6m。隧洞施工采用鉆爆法，圍巖開挖后即進行噴錨支護，預應力環錨混凝土襯砌，襯砌厚度為1/12隧洞內徑，即500mm。隧洞預應力混凝土襯砌的混凝土強度等級為C40。預應力鋼筋采用高強度低松弛1860級無黏結預應力鋼絞線，張拉控制應力σcon=0.75fptk=1395MPa。普通鋼筋采用標準熱軋Ⅱ級鋼筋。

2 單層與雙層鋼絞線襯砌受力性能分析

2.1 隧洞襯砌對比分析計算參數

預應力襯砌混凝土在其他條件不變的前提下，將鋼絞線布置為單層雙圈和雙層雙圈，由于錨具槽深度、錨具槽間距、預應力鋼筋變角偏轉半徑、預應力損失等方面必然存在差異，單層與雙層鋼絞線預應力襯砌的受力性能必然存在相應的差異。

本文取圍巖彈性抗力系數K=1.0MPa/cm 和1.5MPa/cm，在基本載荷下開展單層與雙層鋼絞線預應力襯砌受力性能的對比分析。將鋼絞線布置為單層雙圈時，預應力鋼筋用量均取4×φj15.24@300單層雙圈、環錨，相鄰兩錨具槽夾角均為80°，預應力筋摩擦損失取μ=0.06，κ=0.004，預留內槽口長1.3m，中心深0.15m，寬0.2m。將鋼絞線布置為雙層雙圈時，預應力鋼筋用量等效折算為6×φj15.24@450雙層雙圈、環錨，相鄰兩錨具槽夾角均為80°，預應力筋摩擦損失取μ=0.06，κ=0.004，預留內槽口長1.3m，中心深0.22m，寬0.2m。

2.2 K=1.0MPa/cm時預應力襯砌受力性能對比分析

基本荷載組合作用下單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌混凝土徑向應力均較小(見表1)。

襯砌混凝土上半圓環環向壓應力分布較為均勻，在錨具槽和襯砌底部環向應力分布均勻性較差且應力變化較為劇烈。上半圓環頂部襯砌內表面壓應力較外表面要小，雙層雙圈變化范圍稍大；在30°拱腰處外表面環向壓應力較內表面要小，單層雙圈在上半圓環受力略優于雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌。單層雙圈預應力襯砌，在下半圓環襯砌底部外表面混凝土環向壓應力最大，內表面最小；錨具槽位置處，襯砌內外表面混凝土環向壓應力變化較大，內表面大于外表面，在基本荷載組合作用下襯砌混凝土均處于環向受壓狀態。而對于雙層雙圈預應力襯砌，由于錨具槽位置等的差異，下半圓環襯砌混凝土環向應力變化相對單層雙圈略平緩，襯砌底部環向拉壓應力變化劇烈，雙層雙圈在下半圓環受力優于單層雙圈(見表2、圖1)。

表1 K=1.0MP/cm基本荷載組合預應力襯砌徑向壓應力 單位：MPa

表2 K=1.0MP/cm基本荷載組合預應力襯砌環向壓應力 單位：MPa

圖1 K=1.0MP/cm基本荷載組合預應力襯砌環向應力

單層雙圈鋼絞線預應力襯砌的預應力鋼絞線與雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌的預應力鋼絞線的拉應力兩者差別不大(見表3)。

表3 K=1.0MP/cm基本荷載組合預應力襯砌鋼絞線拉應力 單位：MPa

襯砌結構整體最大位移均位于襯砌結構頂部，單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌數值分別為3.33mm和3.47mm，雙層雙圈略大(見圖2)。

由上述結果可知，在上半圓環，單層雙圈受力略優于雙層雙圈；在下半圓環，雙層雙圈受力則明顯優于單層雙圈。這是由于雙層雙圈鋼絞線錨具槽位置偏轉深度小于單層雙圈所引起的。

圖2 K=1.0MP/cm基本荷載組合預應力襯砌變形(形變比例1∶200)(單位：m)

2.3 K=1.5MPa/cm時預應力襯砌受力性能對比分析

基本荷載組合作用下單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌混凝土徑向應力均較小(見表4)。

表4 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預應力襯砌徑向壓應力 單位：MPa

襯砌混凝土上半圓環環向壓應力分布較為均勻，在錨具槽和襯砌底部環向應力分布均勻性較差且應力變化較為劇烈。上半圓環頂部襯砌內表面壓應力較外表面要小，雙層雙圈變化范圍稍大；在30°拱腰處外表面環向壓應力較內表面要小，單層雙圈在上半圓環受力略優于雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌。錨具槽位置處，襯砌內外表面混凝土環向壓應力變化較大，內表面大于外表面；在基本荷載組合作用下襯砌混凝土均處于環向受壓狀態。而對于雙層雙圈預應力襯砌，由于錨具槽位置等的差異，下半圓環襯砌混凝土環向應力變化相對單層雙圈略平緩；襯砌底部環向拉壓應力變化劇烈，雙層雙圈在下半圓環受力優于單層雙圈(見表5、圖3)。

表5 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預應力襯砌環向壓應力 單位：MPa

圖3 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預應力襯砌環向應力(單位：MPa)

單層雙圈鋼絞線預應力襯砌的預應力鋼絞線與雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌的預應力鋼絞線的拉應力兩者差別不大(見表6)。

表6 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預應力襯砌鋼絞線拉應力 單位：MPa

襯砌結構整體最大位移均位于襯砌結構頂部，單層雙圈與雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌數值分別為2.7mm和2.83mm，雙層雙圈略大(見圖4)。

圖4 K=1.5MPa/cm基本荷載組合預應力襯砌變形(形變比例1∶200)(單位：m)

由上述結果可知，在上半圓環，單層雙圈受力略優于雙層雙圈；在下半圓環，雙層雙圈受力則明顯優于單層雙圈。這是由于雙層雙圈鋼絞線錨具槽位置偏轉深度小于單層雙圈所引起的。

3 結 論

當圍巖彈性抗力系數K=1.0MPa/cm 或1.5MPa/cm時，預應力鋼筋采用4×φj15.24@300單層雙圈布置可滿足要求，將預應力鋼筋等效折算為6×φj15.24@450雙層雙圈布置同樣也可滿足設計要求，且襯砌混凝土均處于環向受壓狀態。同等條件下各工況單層雙圈鋼絞線預應力襯砌上半圓環環向應力分布略優于雙層雙圈，下半圓環環向應力分布則剛好相反。雙層雙圈鋼絞線預應力襯砌環向受力總體上略優于單層雙圈。這是雙層雙圈鋼絞線錨具槽位置鋼絞線偏轉深度小于單層雙圈所致。

王藝翔.隧洞襯砌施工質量控制[J].水利建設與管理，2014(4).

Analysis of single-layer and double-layer steel strand lining stress performance in tunnel prestressed concrete lining

ZENG Qiang

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110179,China)

In the paper, rational steel strand arrangement mode is searched through comparative analysis on the changes of single-layer and double-layer steel strand prestressed lining stress performance under the condition of different surrounding rock elastic resistance coefficients.

steel strand; elastic resistance coefficient; stress; deformation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.01.011

TV554

A

1005-4774(2017)01- 0040- 04