不同埋深下盾構(gòu)輸水隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌模型試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.06.021

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)圍繞水資源空間均衡，以江河干流及重要湖泊為基礎(chǔ)，建設(shè)了大量輸水隧洞以完善區(qū)域水資源配置。盾構(gòu)法因掘進(jìn)效率高、擾動(dòng)小，被廣泛應(yīng)用于地下輸水隧洞工程的建設(shè)，如南水北調(diào)中線穿黃隧洞[1]，青草沙輸水隧洞工程[2]等。在輸水隧洞高內(nèi)水壓的環(huán)境中，普通混凝土襯砌往往無(wú)法滿足承載要求，因而選擇在襯砌內(nèi)部施加環(huán)向錨固力來(lái)抵消內(nèi)部的水壓[]，管片－預(yù)應(yīng)力混凝土雙層襯砌應(yīng)運(yùn)而生。

預(yù)應(yīng)力雙層襯砌作為帶壓輸水隧洞工程中的新型襯砌形式，其在施工與運(yùn)行過(guò)程中的力學(xué)特性是盾構(gòu)輸水隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為此許多學(xué)者對(duì)此種襯砌形式展開(kāi)了研究。如Zareifard[4]提出了一種基于廣義有效應(yīng)力原理的預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌解析解模型，并借此推導(dǎo)了襯砌應(yīng)力、應(yīng)變與孔隙壓力的關(guān)系式，以闡述預(yù)應(yīng)力襯砌與管片的相互作用。Wang等5依托松花江飲水工程中直徑 6.8m 的輸水隧洞，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)揭示了預(yù)應(yīng)力與內(nèi)水壓共同作用下預(yù)應(yīng)力襯砌的應(yīng)力重分布特征，提出了預(yù)應(yīng)力襯砌軸力和彎矩的解析解。此外，學(xué)者們還通過(guò)建立三維數(shù)值模型對(duì)水工隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌進(jìn)行水力耦合分析[]，探究了結(jié)構(gòu)在施工期與運(yùn)行期不同內(nèi)荷載條件下的力學(xué)特性[]。隨著研究的深入，盾構(gòu)輸水隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)逐漸形成了“管片承擔(dān)外部荷載，預(yù)應(yīng)力襯砌承擔(dān)內(nèi)部荷載”的荷載分配機(jī)制[8-9] 。

針對(duì)預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)，其環(huán)錨預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉技術(shù)一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)，而工程實(shí)踐表明，鋼絞線錨具槽是預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固點(diǎn)處混凝土厚度偏小，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，極易開(kāi)裂[10]。為此，張博[1]對(duì)西龍池抽水蓄能電站的環(huán)錨無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌進(jìn)行數(shù)值建模，分析了不同錨索數(shù)自以及不同錨具槽間距對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌環(huán)向預(yù)應(yīng)力分布的影響。經(jīng)過(guò)不斷地理論優(yōu)化，依托已建成的預(yù)應(yīng)力輸水隧洞工程，部分學(xué)者結(jié)合施工實(shí)際提出了錨具槽左右交錯(cuò)分布的多層多圈環(huán)錨無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力襯砌體系[12-13] 。

綜上，大量學(xué)者對(duì)輸水隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)部荷載變化下的力學(xué)特性及預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)進(jìn)行了研究，但實(shí)際工程中隧洞埋深跨度較大，所受外部荷載復(fù)雜多變[14]，關(guān)于預(yù)應(yīng)力雙層結(jié)構(gòu)在外部荷載變化下的力學(xué)適應(yīng)性及相互作用機(jī)理仍需要進(jìn)一步完善?；诖?，為探究盾構(gòu)輸水隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌在不同埋深下的力學(xué)適應(yīng)性，本文依托珠三角水資源配置工程，設(shè)計(jì)縮尺模型試驗(yàn)，對(duì)不同埋深 （10，20，30，40，50m） 下預(yù)應(yīng)力雙層襯砌力學(xué)特性與損傷破壞過(guò)程進(jìn)行研究，得到雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性隨預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律，以期為后續(xù)輸水盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力張拉施工設(shè)計(jì)理論的完善提供參考，提高預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

1 相似模型試驗(yàn)

1.1 工程概況

本次研究依托工程為珠三角水資源配置工程預(yù)應(yīng)力雙層襯砌標(biāo)段，隧洞采用盾構(gòu)法施工，最大埋深50m ，軸線長(zhǎng)度 8774m 。區(qū)間地層由上至下主要為人工填土、淤泥質(zhì)黏土、不同風(fēng)化程度的泥質(zhì)砂巖，輸水隧洞洞身基本全部位于泥質(zhì)粉砂巖地層中，但結(jié)構(gòu)的埋深跨度較大，其工程地質(zhì)縱斷面如圖1所示。區(qū)間地下水補(bǔ)給充沛，地層含水量高。隧洞帶壓輸水，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓達(dá) 1.5MPa 。

為平衡隧洞內(nèi)的高內(nèi)水壓，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中管片為預(yù)制的C55W12鋼筋混凝土裝配式襯砌，外徑 8.3m 、幅寬1.6m 厚 0.4m ，采用“4標(biāo)準(zhǔn)塊 +2 鄰接塊 +1 封頂塊”的分塊形式。預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌由厚 0.55m 的C50W12預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑而成，錨具槽以 1m 間距在左右拱腳處交錯(cuò)布置，槽中環(huán)錨預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用雙層雙圈形式布置，鋼絞線張拉控制應(yīng)力 σ_con=0.75 f_ptk=1395MPa_? □

1.2 相似關(guān)系

模型試驗(yàn)以珠三角水資源配置工程輸水盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)為原型，選取幾何相似比 C_L=5 、容重相似比 C_γ=1 作為基礎(chǔ)相似比。同時(shí)根據(jù)相似準(zhǔn)則[15得到模型試驗(yàn)相關(guān)的物理量原型值與模型值之比，如表1所列。

1.3 相似模型尺寸及相似材料配置

經(jīng)過(guò)相似關(guān)系換算得到了模型試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)尺寸及力學(xué)參數(shù)，如表2所列。其中，預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)模型通過(guò)配置相應(yīng)強(qiáng)度的混凝土澆筑而成，模型混凝土的配合比參照J(rèn)GJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[16]進(jìn)行設(shè)計(jì)，使混凝土模型試件的力學(xué)參數(shù)滿足相似比要求。最終確定管片襯砌模型混凝土配合比為水泥：砂：石：水：減水劑 =1：4.4：6.1 ： 1：0.03 ，預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土配合比水泥：砂：石：水：減水劑 =1：4.6：6.4：1.1：0.03 。此外，根據(jù)拉壓剛度EA等效原則，采用小直徑（管片襯砌 6mm 、預(yù)應(yīng)力襯砌 8mm ）的HRB400鋼筋編織預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)的鋼筋網(wǎng)。

表2原型與模型中預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

1.3.1 管片接頭模擬

為模擬實(shí)際工程中管片襯砌在內(nèi)外荷載作用下接頭位置的張開(kāi)與閉合效應(yīng)，選用如圖3所示的硬鋁合金材料彎螺栓，連接模型管片的環(huán)向與縱向接縫。模型螺栓與原型螺栓斷面的尺寸滿足相似關(guān)系，其斷面直徑可根據(jù)公式（1）取得：

E_smd²=S_?ES_?l²E_?sD²

式中： E_sm 為模型螺栓受拉彈性模量， 70GPa;d 為模型螺栓斷面直徑； 為彈性模量相似比， 0.2;S_ι 為幾何尺寸相似比， 0.2;E_s 原型螺栓受拉彈性模量， 194GPa;D 為原型螺栓斷面直徑， 30mm 。

1.3.2 預(yù)應(yīng)力雙層襯砌接觸面模擬

在實(shí)際施工中，管片襯砌拼裝好后，預(yù)應(yīng)力襯砌采用現(xiàn)澆的方式施作，兩層襯砌之間無(wú)其余墊層，管片襯砌與預(yù)應(yīng)力襯砌間存在較強(qiáng)的摩擦力，因此雙層襯砌的接觸面既可以傳遞法向壓力，也能夠傳遞兩者的剪切力[17]。由于模型試驗(yàn)中預(yù)應(yīng)力襯砌是預(yù)制而成的，為了提高管片襯砌與預(yù)應(yīng)力襯砌的整體性，模擬實(shí)際的施工過(guò)程，選取速凝型水泥砂漿對(duì)雙層襯砌的接觸面進(jìn)行灌槳填充，砂槳的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度與預(yù)應(yīng)力襯砌模型混凝土一致，如圖4所示。

1.4 試驗(yàn)加載與測(cè)試

試驗(yàn)采用自研的“盾構(gòu)隧洞水、土壓聯(lián)合加載”裝置分別施加荷載，裝置內(nèi)部空間直徑 1660mm ，高640mm 。結(jié)構(gòu)外部的水、土荷載按照分離控制加載等效原理分別獨(dú)立施加[18]，即從結(jié)構(gòu)受力的角度出發(fā)，依據(jù)變形等效原理，通過(guò)徑向頂推I方向與Ⅱ方向的兩對(duì)千斤頂產(chǎn)生集中力，等效模擬土壓力與地層抗力的作用，每個(gè)千斤頂使用壓力傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際推力。同時(shí)根據(jù)力學(xué)的平衡關(guān)系得到鋼絞線環(huán)箍力與外水壓力的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過(guò)張拉管片襯砌外表面的環(huán)箍鋼絞線產(chǎn)生徑向力，等效模擬外部水壓力的作用，外部荷載施加裝置分布如圖5所示。

結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的加載方式與原型隧道一致，即通過(guò)張拉預(yù)先埋設(shè)在混凝土二襯模型里的鋼絞線實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力加載。如圖6所示，鋼絞線的張拉則通過(guò)手壓泵頂升特制的張拉裝置實(shí)現(xiàn)，張拉完成后利用緊固限位螺帽防止預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛，并為每根鋼絞線安裝錨索測(cè)力計(jì)對(duì)張拉應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，為模擬襯砌內(nèi)部真實(shí)的水壓分布形式，通過(guò)高壓水泵充水實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)水壓的加載。加載過(guò)程中，打開(kāi)蓋板上的排氣孔和進(jìn)水閥門，利用固定在蓋板上的壓力表對(duì)內(nèi)部水壓進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)中為揭示外部荷載變化對(duì)盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，將對(duì)試驗(yàn)中模型中間環(huán)位置的應(yīng)變、位移、襯砌間接觸壓力以及損傷破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量采集[19]。如圖7所示，相關(guān)測(cè)試元件的布置如下： ① 采用分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)預(yù)應(yīng)力襯砌全周的內(nèi)外應(yīng)變進(jìn)行量測(cè)； ② 在預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)外兩側(cè)，從拱頂位置開(kāi)始，間隔 90^° 布置共8個(gè)差動(dòng)變壓器式位移傳感器； ③ 在雙層襯砌間隙層按 45^° 間隔埋置8個(gè)壓力盒監(jiān)測(cè)層間接觸壓力；④ 在預(yù)應(yīng)力雙層襯砌外側(cè)拱頂、拱底與左右拱腰位置各布置1個(gè)聲發(fā)射探頭。

1.5 試驗(yàn)分組

試驗(yàn)選擇澆筑一個(gè)整環(huán)與兩個(gè)半環(huán)的預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加載測(cè)試，中間整環(huán)為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)環(huán)，其余兩個(gè)半環(huán)起消除邊界效應(yīng)的作用，模型試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)均從中間環(huán)處測(cè)得。在實(shí)際工程中，預(yù)應(yīng)力輸水隧洞埋深由淺埋至深埋跨度達(dá) 40m ，為此，模型試驗(yàn)以 10m 為跨度設(shè)置5種不同埋深的工況，每種工況獨(dú)立加載測(cè)試，如表3所列。通過(guò)太沙基理論判定結(jié)構(gòu)受力的深埋與淺埋[20，并計(jì)算在不同埋深條件下預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)所受的外部水土荷載。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)按照表3所列工況進(jìn)行加載試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同埋深條件下管片以及預(yù)應(yīng)力襯砌的內(nèi)力、位移、接觸壓力以及損傷破壞情況進(jìn)行分析，揭示外部荷載對(duì)預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響規(guī)律。

2.1 雙層襯砌受力特性分析

預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力雷達(dá)圖中的 0^° 位置代表結(jié)構(gòu)拱頂， 180^° 位置代表結(jié)構(gòu)拱底。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移已按照相似比換算為原型值進(jìn)行分析，其中彎矩以內(nèi)表面受拉、外表面受壓為正，軸力以受拉為正，受壓為負(fù)。不同理深下管片襯砌所受內(nèi)力如圖8所示。

由圖8（a）可知，當(dāng)施加1.5MPa設(shè)計(jì)內(nèi)水壓時(shí)，管片襯砌彎矩沿環(huán)向的分布規(guī)律在各埋深條件下基本一致，即結(jié)構(gòu)拱頂、拱底區(qū)域呈正彎矩，錨具槽與左右拱腰位置出現(xiàn)負(fù)彎矩。拱底最大正彎矩達(dá)183kN?μ_m ，而臨近的左右拱腳錨具槽處則出現(xiàn)了較大的負(fù)彎矩，原因是錨具槽位置混凝土保護(hù)層較薄，預(yù)應(yīng)力施加不充分，導(dǎo)致了拱腳與拱底彎矩的差異。埋深50m 條件下，受 50m 外部水頭的作用，結(jié)構(gòu)右拱腰處負(fù)彎矩最大值達(dá) 440kN?m 。由圖8（b）得，管片襯砌除拱底與左拱肩位置外，結(jié)構(gòu)在內(nèi)外荷載的共同作用下保持受壓狀態(tài)，軸壓力隨隧洞埋深的增加變化不大。

當(dāng)結(jié)構(gòu)處于 10m 埋深時(shí)，管片襯砌拱底軸拉力增至304kN ，混凝土存在受拉開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

不同埋深下，預(yù)應(yīng)力襯砌所受內(nèi)力見(jiàn)圖9。分析圖9（a）可知，預(yù)應(yīng)力襯砌彎矩沿環(huán)向的分布規(guī)律在10～50m 埋深范圍內(nèi)保持一致，即拱頂與拱底彎矩為正，左右拱肩彎矩為負(fù)。隨著埋深的不斷增加，左右錨具槽位置的彎矩由負(fù)變正，當(dāng)埋深為 50m 時(shí)，左拱腰位置最大正彎矩達(dá) 827kN?m ，最大負(fù)彎矩在 10m 埋深時(shí)左拱肩處取得，為 -375kN?m 。由圖9（b）可知，預(yù)應(yīng)力襯砌的軸力對(duì)埋深的變化響應(yīng)激烈，隨埋深的減小， 30^°～45^° 方向預(yù)應(yīng)力襯砌軸力從拉變成受壓，埋深降至 10m 時(shí)，預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)左右拱腰與錨具槽位置的軸力發(fā)生突變。究其原因，認(rèn)為當(dāng)埋深降至10m 時(shí)，張拉鋼絞線產(chǎn)生的預(yù)壓力與外部水土壓力無(wú)法完全平衡結(jié)構(gòu)的內(nèi)水壓力，預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土多處受拉損傷，誘使結(jié)構(gòu)軸力產(chǎn)生突變。

從預(yù)應(yīng)力襯砌與管片襯砌的內(nèi)力雷達(dá)圖中可以看出，在同等埋深條件下，預(yù)應(yīng)力襯砌的內(nèi)力水平明顯高于管片襯砌，由此認(rèn)為預(yù)應(yīng)力襯砌為輸水隧洞承受內(nèi)部荷載的主體結(jié)構(gòu)，管片襯砌起輔助承載作用，

2.2 雙層襯砌位移特性分析

圖10為設(shè)計(jì)內(nèi)水壓 1.5MPa 條件下預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)隨埋深增加的徑向位移變化曲線，其中徑向位移以向外為正，向內(nèi)為負(fù)。由圖10可知，管片襯砌左右拱腰處的位移徑向向外，拱頂與拱底位移徑向向內(nèi)，結(jié)構(gòu)整體變形呈“橫鴨蛋”狀且隨埋深的增加變化不大。拱底位移水平略低于拱頂位置，認(rèn)為是拱底行車道位置較大的混凝土厚度限制了管片襯砌的變形。

預(yù)應(yīng)力襯砌位移對(duì)埋深變化的響應(yīng)更為激烈，隨著埋深的增加，襯砌拱頂與拱底的位移值不斷向內(nèi)增大，拱頂位置最大位移值為 11.5mm ;預(yù)應(yīng)力襯砌左右拱腰處的外擴(kuò)位移值略微減小，預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)整體有內(nèi)縮趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)受拉風(fēng)險(xiǎn)下降，管片襯砌與預(yù)應(yīng)力襯砌的位移值更為接近，內(nèi)外襯砌緊密接觸、變形協(xié)調(diào)，這有利于二者之間通過(guò)相互作用傳遞荷載，提高結(jié)構(gòu)整體安全性。

2.3 雙層襯砌接觸壓力分析

從預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)的位移分析中可以看出內(nèi)外襯砌之間存在著較強(qiáng)的相互作用，據(jù)此繪制圖11所示的雙層襯砌結(jié)構(gòu)接觸壓力沿環(huán)向的分布曲線，以分析管片襯砌與預(yù)應(yīng)力襯砌間的相互作用。

由圖11可知，在設(shè)計(jì)內(nèi)水壓 1.5MPa 的作用下，預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)拱頂與拱底位置接觸壓力水平較高，接觸壓力左右半環(huán)對(duì)稱分布，左右錨具槽位置接觸壓力水平偏低，原因是管片襯砌在外部荷載的作用下發(fā)生了“橫鴨蛋”型橢變，使得管片襯砌在拱頂和拱底位置先與預(yù)應(yīng)力襯砌產(chǎn)生接觸，因而拱頂與拱底位置的接觸壓力水平更高，左右錨具槽位置則出現(xiàn)“翹曲”現(xiàn)象，導(dǎo)致雙層襯砌層間接觸的緊密程度下降。從圖11的雙層襯砌接觸壓力分布曲線中可以看出，隨著埋深的增加，雙層襯砌的接觸壓力水平增長(zhǎng)明顯，襯砌拱頂處的接觸壓力最大值達(dá) 619kPa ，增加埋深使得管片襯砌與預(yù)應(yīng)力襯砌的相互作用更加充分，結(jié)構(gòu)的整體性更好，承載性能更高。

2.4 結(jié)構(gòu)損傷聲發(fā)射信息分析

輸水隧洞的損傷與結(jié)構(gòu)的正常使用功能密切相關(guān)，而宏觀位移監(jiān)測(cè)難以表征結(jié)構(gòu)的微觀破壞。為此，利用聲發(fā)射設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以 50m 埋深為例，統(tǒng)計(jì)雙層襯砌結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓施加過(guò)程中的聲發(fā)射事件（AE）并進(jìn)行分析，見(jiàn)圖12。

由圖12可知，隨著內(nèi)水壓的逐級(jí)施加，雙層襯砌結(jié)構(gòu)的累計(jì)AE數(shù)呈階梯式增長(zhǎng)，當(dāng)內(nèi)水壓施加至0.5MPa時(shí)，累計(jì)AE數(shù)出現(xiàn)運(yùn)行階段的第一個(gè)突增，此時(shí)的AE率峰值為395次 ，并在下一級(jí)加載前趨于平穩(wěn)。從圖中可以看出，隨著內(nèi)水壓的逐級(jí)施加，AE率峰值在降低， 0.5～1.0MPa，1.0～1.5MPa 變化率分別為 21.0% ， 18.6% 。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)內(nèi)水壓 1.5MPa 后，結(jié)構(gòu)累計(jì)AE數(shù)達(dá)2776次。

為進(jìn)一步分析埋深變化對(duì)預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)損傷破壞的影響，對(duì)不同埋深條件下結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射事件數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知， 1.5MPa 設(shè)計(jì)內(nèi)水壓下，隨著埋深的增加，結(jié)構(gòu)的AE總數(shù)呈線性減小趨勢(shì)， 10m 埋深條件下?lián)p傷破壞程度更高，其AE總數(shù)達(dá)5487次，量值是 50m 埋深的2倍，可以看出埋深的增加對(duì)預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行有利。對(duì)比不同內(nèi)水壓加載階段的AE數(shù)可得，在 0～1.0MPa 的內(nèi)水壓加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的運(yùn)行較為平穩(wěn)，損傷裂縫發(fā)展緩慢。繼續(xù)加載至 1.5MPa ，結(jié)構(gòu)AE數(shù)將達(dá)到峰值，結(jié)構(gòu)損傷裂紋持續(xù)發(fā)展，這是由于在內(nèi)水壓和預(yù)壓應(yīng)力不斷抵消的過(guò)程中，雙層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力不斷重新分布，同時(shí)伴有應(yīng)變能的釋放，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷在不斷形成，激起聲發(fā)射信號(hào)被儀器捕捉記錄。如圖14所示，以 10m 埋深工況為例，加載結(jié)束后觀察雙層襯砌模型破損情況可見(jiàn)，在預(yù)應(yīng)力襯砌的中間環(huán)無(wú)宏觀裂紋產(chǎn)生，頂部位置則受邊界效應(yīng)的影響，表面的混凝土存在剝落現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)良好無(wú)明顯損傷破壞。

3結(jié)論

本文以珠三角水資源配置工程預(yù)應(yīng)力雙層襯砌段為依托，采用相似模型試驗(yàn)方法，對(duì)不同埋深條件下盾構(gòu)輸水隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)承載特性及損傷破壞情況進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）高內(nèi)水壓環(huán)境下，由于內(nèi)水壓與預(yù)應(yīng)力的相互作用都是在預(yù)應(yīng)力襯砌中完成的，預(yù)應(yīng)力襯砌是輸水盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力雙層襯砌的主要承載結(jié)構(gòu)，隨著埋深的減小，預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土受拉開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)上升。

（2）在施加 1.5MPa 的內(nèi)水壓后，內(nèi)外襯砌變形趨于協(xié)調(diào)，預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)整體變形呈“橫鴨蛋”

狀，隨著埋深的增大，預(yù)應(yīng)力襯砌變形存在內(nèi)縮趨勢(shì)，雙層襯砌層間接觸壓力增大，二者進(jìn)行相互作用調(diào)整內(nèi)力能力增強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)更為安全。

（3）深埋條件下，土荷載保持穩(wěn)定而外部水壓力大幅增加，使預(yù)應(yīng)力雙層襯砌結(jié)構(gòu)處于靜水壓力場(chǎng)中，內(nèi)外荷載更加平衡，結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)更加穩(wěn)定，微觀損傷事件發(fā)生率下降，無(wú)宏觀裂紋產(chǎn)生。在帶壓輸水的預(yù)應(yīng)力雙層襯砌隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中，應(yīng)多關(guān)注其在淺埋狀態(tài)下的力學(xué)特性，評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹生榮，楊帆，秦敢，等.盾構(gòu)輸水隧洞設(shè)墊層預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌承載特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34（2）：136-143.

[2] 季軍.深覆土輸水隧洞與進(jìn)洞井接頭防水設(shè)計(jì)與施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（4）：126-130.

[3] 謝小玲，龔亞琦，蘇海東，等.軟弱圍巖中的新型雙層復(fù)合襯砌的受力特性研究及滲水風(fēng)險(xiǎn)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32（9）：1791-1798.

[4] ZAREIFARD M R.An analytical solution for design of pressure tun-nels considering seepage loads[J].Applied Mathematical Modelling，2018，62：62-85.

[5] WANGY，CAOR，PIJ，etal.Mechanical propertiesandanalytic solu-tionsofprestressed liningswithunbonded annularanchorsunder inter-nal water loading[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2020，97：103244.

[6] ZHOUY，SUK，WUH.Hydro-mechanical interactionanalysisofhighpressurehydraulictunnel[J].TunnellingandUnderground SpaceTechnology，2015，47：28-34.

[7] YANGF，LIUK，WANGYQ，etal.Mechanical behaviorand simpli-fied models for the post-tensioned prestressed concrete lining[J].Structural Engineeringand Mechanics，2023，86：17-27.

[8]亢景付，胡玉明.小浪底排沙洞預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)模型對(duì)比試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2003（6）：80-84.

[9]任海波.無(wú)粘結(jié)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[10]薛廣文，曹國(guó)魯，蔡俊倫，等.輸水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌錨具槽優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].人民長(zhǎng)江，2023，54（10）：157-162.

[11]張博.環(huán)錨無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[12］荊銳.環(huán)錨無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌計(jì)算方法與錨固可靠性研究[D].天津：天津大學(xué)，2018.

[13]CAOR，ZHAOY，WANGY，etal.Structural andmechanical charac-teristics of double-hoop unbonded annular anchor lining[J].ACIStructural Journal，2021，118（3）：61-70.

[14］趙洋，盧玲.大伙房輸水隧洞混凝土襯砌層的地震響應(yīng)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011，48（3）：40-45.

[15]WANGS，JIANY，LUX，etal.Studyonload distributioncharacteris-tics of secondary lining of shield under different construction time[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2019，89 ：25-37.

[16]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ55-2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[17]WANG S，RUAN L，SHEN X，et al. Investigation of the mechanicalproperties of double lining structure of shield tunnel with different jointsurface[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2019，90 ：404-419.

[18］封坤.大斷面水下盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[19]王士民，姚佳兵，何祥凡，等.水壓對(duì)盾構(gòu)管片襯砌力學(xué)特征與破壞形態(tài)的影響模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2018，51（4）：111 -120.

[20]何川.水下隧道[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

（編輯：郭甜甜）

Abstract：Theprestreseddouble-layerliningstructureofashield waterconveyancetunnelisanoveltypeofsupportstructure withgreatpotentialforigh-inteal-pressurewaterconveyanceprojectsanditsstresscharacteristicsareakeyfocusistructuraldesignandesearch.Toinvestigatethemechanicaladaptabilityofthilnngatdiferentburialdepthsa1：5scaleodeltest wasconductedbasedonthePearl RiverDelta Water Resources AlocationProject.Theresultsshowedthat：theprestresed lining istheprimaryload-bearingcomponentoftheprestresseddouble-layerlining，withhigherinteralforcelevelsthanthoseonthe segmentallining.Underthecombinedactionofinteralandexteralloads，theoveralldeformationofthestructureexhibitsa“horizontal duck-egg”shape.Asburialdepthdecreases，theriskofconcretecrackingintheprestresseddouble-layerliningincreases，andthecontactpressrebetweenthelininglayersdecreases，theinteractiveload-sharingcapabilitybetwn thesegmental liningandtheprestressedliningweakens，resultinginmoremicrostructuraldamagecracks.Therefore，inthestructuraldesignof presure waterconveyancetunnelswithprestresseddouble-layerlinings，reateratentionshouldbepaid totheir mechanicalbehaviorundershallowburialconditions.Thisstudycanserveasareferenceforthedesignofshield waterconveyance tunnels with prestressed double- layer linings.

Keywords：waterconveyancetunnel；shieldtunnel；prestresseddouble-layerlining；modeltest；mechanicalproperty；burial depth；Pearl RiverDelta Water ResourcesAllocation Project