引松隧洞預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1、第28卷第5期20l1年5月長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVo128No。5Mav20l1文章編號(hào)：1001—5485(2011)O5—0063一o4引松隧洞預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析劉陽(yáng)，王倩，劉陽(yáng)(女)(吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)春130021)摘要：針對(duì)吉林省中部城市引松供水工程機(jī)械式后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌輸水隧洞工程，采用普通解析法和

2、彈塑性有限元2種計(jì)算方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比分析，提出了有限元計(jì)算結(jié)果是合理可行的。計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于本工程線(xiàn)路穿越溝谷及波狀臺(tái)地區(qū)的多段淺埋有壓隧洞，采用預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)是切實(shí)可行的。對(duì)于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌隧洞這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，采用有限元計(jì)算能夠更好地模擬開(kāi)挖、預(yù)應(yīng)力施加、圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，相對(duì)于普通的解析法，其計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，對(duì)控制工程總投資可起到關(guān)鍵作用。同時(shí)總結(jié)了預(yù)應(yīng)力襯砌的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用前景，

3、提出了需要進(jìn)一步研究和探討的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：引松供水工程；隧洞；預(yù)應(yīng)力；襯砌中圖分類(lèi)號(hào)：TV7323文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1概述近年來(lái)，我國(guó)水利水電工程預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展較快，從壩工預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到水工隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。繼清江隔河巖水電站引水隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌錨束施工獲得成功之后，天生橋一級(jí)水電站引水隧洞工程、小浪底水庫(kù)排沙隧洞工程、大伙房水庫(kù)輸水工程、南水北調(diào)中線(xiàn)穿黃工程等均采用了這一技術(shù)。吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省境內(nèi)，從第

4、二松花江豐滿(mǎn)水庫(kù)庫(kù)區(qū)引水，解決吉林省中部地區(qū)用水的大型長(zhǎng)距離調(diào)水工程。多年平均引水量為897億m，設(shè)計(jì)引水流量為38m／s。輸水總干線(xiàn)全長(zhǎng)約110km，其中隧洞段長(zhǎng)97km。線(xiàn)路穿越飲馬河與雙陽(yáng)河及兩岸臺(tái)地處，地貌以波狀臺(tái)地為主，建筑物隧洞與埋管交替，長(zhǎng)達(dá)228km。有壓隧洞洞徑66in，埋深12～45m，圍巖風(fēng)化層較厚，巖石強(qiáng)度低，圍巖類(lèi)別以ⅣV類(lèi)為主，圍巖抗?jié)B能力較差，在該段考慮采用抗裂設(shè)計(jì)，采用后張法無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌結(jié)構(gòu)形式

5、。由于預(yù)應(yīng)力襯砌造價(jià)較高，在保證工程安全的前提下襯砌計(jì)算成果采用值的合理性對(duì)控制工程投資起到關(guān)鍵作用。目前隧洞襯砌計(jì)算采用的方法主要分為2大類(lèi)：一類(lèi)是常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)法(解析法)，考慮圍巖的抗力作用，假定抗力分布后按超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算襯砌內(nèi)力；另一類(lèi)是有限元法(數(shù)值計(jì)算法)，是將襯砌與圍巖作為整體進(jìn)行計(jì)算。本文對(duì)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算，采用解析法和有限元計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析。2襯砌布置及計(jì)算條件預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)形式如下：襯砌斷面內(nèi)側(cè)布置錨具槽，通過(guò)鋼

6、絞線(xiàn)張拉變形，使襯砌受到擠壓，使襯砌截面形成預(yù)壓應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)度無(wú)粘結(jié)低松弛l860級(jí)6‘pJ152鋼絞線(xiàn)，公稱(chēng)截面面積A=6140mm。預(yù)應(yīng)力筋束沿管道軸向的中心間距為386mm，采用雙層雙圈無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)環(huán)形游動(dòng)錨支撐變角張拉技術(shù)，環(huán)錨錨板錨固端和張拉端各設(shè)6個(gè)錨孔，內(nèi)層3根鋼絞線(xiàn)從錨固端起始沿內(nèi)層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入內(nèi)層張拉端，外層3根鋼絞線(xiàn)從錨固端起始沿外層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入外層張拉端，鋼絞線(xiàn)錨固端與張拉端包角為23

7、60。。兩側(cè)錨具槽位置圓心夾角80。，預(yù)留內(nèi)槽口長(zhǎng)度為12in，中心深度為025m，寬度為020m。以引松工程1號(hào)隧洞l5839斷面為例。隧洞埋深305m，洞徑66m，該計(jì)算斷面處內(nèi)水壓力水頭為437m，外水壓力水頭為217m。預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土采用C40W10，襯砌厚度為500mm。鋼絞線(xiàn)張拉控制應(yīng)力17“=075，=1395MPa。錨具采用夾片環(huán)錨，錨具變形和鋼筋內(nèi)縮值0=5mm。預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)與孔道壁的摩擦系數(shù)=00035，考慮收稿日

8、期：2011O1o6作者簡(jiǎn)介：劉陽(yáng)(1972一)，男，吉林長(zhǎng)春人，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)的科研與設(shè)計(jì)，(電話(huà))043185661815(電子信箱)liuy—an@100108@163tom。第5期劉陽(yáng)等引松隧洞預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析4960個(gè)8節(jié)點(diǎn)的空間等參單元。計(jì)算網(wǎng)格及襯砌關(guān)鍵點(diǎn)見(jiàn)圖2、圖3，選用參數(shù)見(jiàn)表2。I。。。1_T__H—一r—T【Iljf一卜H十H十H十十士封土==L————!～：一一—、‘‘●。。。?！?/p>

9、斗十十斗十十一———Ll—_r斗什什一llL上一L一：Ⅱ]耳：：【；；【：圖2Fig2計(jì)算模型網(wǎng)格圖圖3襯砌關(guān)鍵點(diǎn)示意圖CalculationmeshFig3Keypointsoflining表2選用圍巖物理力學(xué)參數(shù)表Table2Physicalmechanicalparametersoftherock42混凝土襯砌位移變化規(guī)律隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)的位移值見(jiàn)表3。從表中可以看出位移量值都不大，分布規(guī)律：襯砌頂部位移較??；邊墻次之；底部最大

10、。43混凝土襯砌應(yīng)力變化規(guī)律隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)的第一和第三主應(yīng)力值見(jiàn)表4。從表中可以看出襯砌的頂部應(yīng)力較小，底部應(yīng)力較大，應(yīng)力值從頂部向底部逐漸增大。表3隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)圍巖位移值Table3Displacementvaluesofthekeypointsontheliningoftunnelsectioninin表4隧洞斷面襯砌關(guān)鍵點(diǎn)第一、三主應(yīng)力值Table4Thefirstandthirdprincipalstressesoft

11、hekeypointsontheliningoftunnelsectionMPaⅥ1A頂拱B右側(cè)C底板D左側(cè)上優(yōu)一!!!內(nèi)水一034123一O36135—039141036131查二旦：：竺：：旦：二：塑二：：：：：=：44混凝土襯砌內(nèi)力變化規(guī)律襯砌的軸力圖、彎矩圖見(jiàn)圖4。從圖上可以看出，內(nèi)水壓作用下，軸力為拉，彎矩為向外彎，說(shuō)明內(nèi)緣受拉，外緣受壓；外水壓作用下，軸力為壓，彎矩為向內(nèi)彎。45結(jié)果合理性分析從上述計(jì)算結(jié)果看，在內(nèi)水作用下襯

12、砌的變形都控制在013—022mm以?xún)?nèi)，襯砌的拉應(yīng)力控制在123—141MPa，不超過(guò)C40混凝土允許拉應(yīng)力，滿(mǎn)足規(guī)范抗裂設(shè)計(jì)要求。軸力分布在500—700kN之間，彎矩分布在49kN1TI以?xún)?nèi)，可視為小偏心受壓構(gòu)件。這說(shuō)明襯砌結(jié)構(gòu)受力條件較好，能夠滿(mǎn)足要求。在外水壓作用下，襯砌結(jié)構(gòu)受力變形都控制在01lITlnl以?xún)?nèi)，襯砌沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，軸力、彎矩值都很小，說(shuō)明外水壓對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力不起控制作用，整個(gè)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)較好。其計(jì)算應(yīng)力及位移分

13、布規(guī)律與國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程所做的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，因此，計(jì)算結(jié)果可以用于引松隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軸力分布：彎矩分布：t：t0oouter(b)外水工況圖4隧洞襯砌斷面軸力圖、彎矩圖Fig4Theaxialforceandbendingmomentplotoftheliningoftunnelsection46兩種計(jì)算方法對(duì)比分析從上述2種方法的計(jì)算結(jié)果可以看出，普通解析法的斷面應(yīng)力分析為簡(jiǎn)化模型的結(jié)果，沒(méi)有充分考慮圍巖與襯砌的相互影響

14、作用，應(yīng)力值較大，只適用于那些邊界條件簡(jiǎn)單及介質(zhì)特性不太復(fù)雜的情況，對(duì)優(yōu)化隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供的參考價(jià)值不大。而有限元法，與實(shí)際施工采用的”新奧法”理論結(jié)合較好，考慮了地下巖體結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體及結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、變形大小和分布，并可近似地依據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析隧洞的變形破壞機(jī)制。從國(guó)內(nèi)工程實(shí)例看，清江隔河巖水電站引水隧洞1：l襯砌張拉模型試驗(yàn)、黃河小浪底排砂洞現(xiàn)場(chǎng)1：1結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、天生橋一級(jí)水電站引水隧洞原位1：l環(huán)