新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

新型预应力混凝土衬砌压力隧洞
技术研究
赵妍，孙粤琳，黄昊，刘致彬
(中国水利水电科学研究院，北京 100038)
摘要：本文提出了一种新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术。该项技术根据厚壁圆筒承受内外水压
力理论，利用围岩的抗力作用，采用外加预应力法，在围岩和衬砌混凝土之间安装一种圆环形扁千斤
顶设备，根据需要利用水或水泥浆通过有限的径向位移对隧洞衬砌混凝土层外部人为地施加某一数值
与分布的均布压应力，用以部分或全部抵消内水压力所产生的拉应力。其优点是省去了预应力钢筋，
且施工简便。模拟试验证明，利用水或水泥浆施加预应力法是可行的。有限元计算结果表明，在隧洞
衬砌混凝土外层间隔施加预应力时，衬砌混凝土中的应力能够满足工程需要。
关键词：压力隧洞；新型预应力混凝土衬砌；外加预应力法；圆环形扁千斤顶；室内试验；有限
元分析
doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2015．11．015
中图分类号：TV732．3 文献标识码：A 文章编号：1000—0860(2015)11-0072—05
Research on a new technology of pressure tunnel with pre-stressed concrete lining
ZHAO Yan，SUN Yuelin，HUANG Hao，LIU Zhibin
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)
Abstract：A new technology of pressure tunnel with pre·stressed concrete lining is proposed herein．This technology is that with
the resistance effect of surrounding rock and the external pre—stress method，a circular flat jack device is installed between the
surrounding rock and the concrete in accordance with the theory of that the internal and external water pressures are withstood by
a thick—walled cylinder，and then a uniform compressive stress with a certain value is artificially印plied to the outside of the lin—
ing concrete of tunnel with water or cement slurry though a limited radial displacement according to the relevant demand，SO as tO
partly or fully offset the tensile stress from the internal water pressure．The merit of this technology is that not only the pre—stressed
reinforcement is saved，but the construction is also convenient．The simulation test demonstrates that it is feasible to apply pre—
stress with water or cement slurry．Meanwhile，the result from the finite element method shows that when pre-stress is applied to
the outside space of the lining concrete of tunnel，the stress inside of the lining concrete can meet the engineering demand con—
cerned．
Key words：pressure tunnel；new pre·stressed concrete lining；e~emal pre-stressed method；circular fiat jack；indoor experi—
ment；finite element analysis
1 问题的提出
预应力混凝土衬砌技术在国外应用较早，20世
纪70年代，意大利、瑞士等国将这种技术应用于调
压井和隧洞⋯。国内许多专家也对衬砌结构形式设
计和优化、施工技术、可靠度分析及混凝土衬砌开裂
收稿日期：2015—01一O6
项目资助：中国水利水电科学研究院科研专项(SM0145B22201500000)。
作者简介：赵妍(1978一)，女，高级工程师，博士。
WaterResources andHydropowerEngineering Vo1．46 No．I1
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分析等方面均进行过大量的研究工作 I6j。其中预应
力混凝土衬砌又分为有粘结预应力和无粘结预应力混
凝土衬砌两种。现有的预应力混凝土衬砌隧洞，
一般是沿着衬砌层建立几百吨甚至更大的环向预应力
钢材施加预应力。例如清江隔河岩水电站净内径9．5
m j
，天生桥一级水电站净内径9．6 m等，均为在衬
砌层内预埋波纹管、穿索、张拉、灌浆等有粘结钢绞
线衬砌隧洞；小浪底水电站排沙隧洞 J，净内径6．5
m，则采用无粘结钢绞线，施工时不需预留孔道，其
缠绕角达720。，在浇筑混凝土前，同普通钢筋一样，
按照设计要求铺设在模板内，然后浇筑混凝土，待混
凝土达到一定强度后进行张拉、锚固、封堵端部。它
不需要灌浆，简化了施工工艺。但是存在施工复杂、
造价高、耗费大量钢材的缺点，而且工程人员对锚具
以及整个无粘结锚固体系的耐久性仍然存在一些疑
虑。随着预应力混凝土衬砌的广泛应用和深入研究，
国内外学者更加明确提出了预应力混凝土衬砌设计
中，应重视围岩的作用。通过总结分析以往的工程实
践经验，提出了新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技
术。
所谓新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术，就是
选用外加预应力法，在围岩和衬砌混凝土之间安装一
种圆环形扁千斤顶设备—— 用薄钢板制成的中空圆环
形压力囊，能利用水或水泥浆压力，通过有限的径向
位移，根据工程需要人为地给隧洞衬砌混凝土施加某
一数值和分布的反向荷载，即外加均布荷载，用以部
分或全部抵消隧洞内水压力所产生的拉应力，这是一
种非常经济合理的选择。不仅省去传统方法中的预应
力钢材和锚具，达到节约成本，施工简便，同时满足
工程安全可靠的要求，具有重要的工程意义和深远的
推广应用前景。
2 采用外力预应力法的理论依据
根据弹性力学厚壁圆筒承受内外均布荷载时的应
力状态 m (见图1)。
内水压力时
口 + 6。 20 ，、
， (
D 一Ⅱ D 一口
外水压力时
：一
，
=一 — ，， 0"6,2 ：=一一磐—— — p ， (2)
式中，为内表面环向应力；以为外表面环向应
力；P 为外水压力；P为内水压力；6／,为隧洞内半径；
b为隧洞外半径。
水利水电技术第46卷201 5年第11期
赵妍，等∥新型预应力混凝土衬砌压力隧洞技术研究
D
(a)内水压力时受力状态
(b)外水压力时受力状态
图1 厚壁圆筒承受内外水压力时的应力状态
在内水压力作用下，环向应力始终为拉应力，
而且最大值在内表面；在外水压力作用下，环向应
力则恒为压应力，而且最大值亦在内表面。如果厚
壁圆筒同时承受相同的内外均布荷载时，可以看到
此种情况下环向应力仍为压应力，这就是新型预应
力混凝土衬砌隧洞的理论根据。通过调节圆环形扁
千斤顶的宽度、间距以及压力而改变外加预应力的
大小。
3 圆环形扁千斤顶的设计、制作及安装
圆环形扁千斤顶则是采用外加预应力法对压力
隧洞混凝土衬砌层施加预应力的专用设备，用薄钢
板制成的中空圆环形压力囊，如图2所示，其外径
与隧洞开外洞径相一致。一般情况，洞径很大，通
常，圆环形扁千斤顶不可能是整体制造的，应分为
若干个标准圆弧段组成一圆周，各标准段在工厂内
分别制造和验收，合格后，运到现场进行安装。各
标准段的大小以人力搬动为限。各段之间以丝扣钢
管相连接，在隧洞底部设有注浆管，在顶部设有排
气管。这样由各标准圆弧段组成所谓圆环形扁千斤
顶，成为一个独立的封闭体系，能够利用水压力或
水泥浆压力通过有限的径向位移对隧洞混凝土