压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究

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发布时间：2021-09-03

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压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究
黄昊 2刘致彬 2岳跃真，2 7郝巨涛
(1．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；
2．中国水利水电科学研究院北京中水科海利工程技术有限公司，北京 100038)
摘要：在现有压力隧洞预应力混凝土衬砌技术的基础上，提出了基于圆环形扁千斤顶技术的新型预应力混凝土衬
砌隧洞新概念。实现这个设想的关键设备是圆环形扁千斤顶，是一个用薄钢板制成的中空圆形压力囊，利用液压
通过有限的径向位移对隧洞混凝土衬砌层外部施加均布压应力。室内模拟试验证明，采用薄钢板制作的圆环形扁
千斤顶可以通过灌浆或注水对衬砌结构施加预应力，衬砌结构环向预压应力与注水压力呈线性关系，与理论结果
一致。
关键词：压力隧洞；预应力混凝土衬砌；模拟试验；扁千斤顶
中图分类号：TV332 文献标识码：A doi：10．13244／j．cnki．jiWhr．2015．01．003
1 研究背景
随着压力隧洞所承受的水头和直径的不断增加，环向拉应力越来越大，理论和实践都已证明，
配置大量普通钢筋不能防止裂缝的发生，仅能限制裂缝的扩展。传统的预应力混凝土衬砌技术主要
包括预应力锚索技术和高压灌浆式预应力技术⋯，这种衬砌结构可以使衬砌厚度减薄，节省材料和开
挖量，弥补混凝土抗拉强度和延展性低等缺点，且可充分利用混凝土抗压强度高的特点，减少衬砌
结构裂缝发生，但均存在局限性。
锚索式预应力混凝土衬砌结构是通过张拉混凝土衬砌内的环向锚索使衬砌产生预压应力。现有
的预应力混凝土衬砌隧洞，一般是沿着衬砌层的环向采用预应力钢材施加预应力。根据所使用的预
应力筋的不同，可分为有黏结和无黏结两种形式⋯。这两种形式的技术均不能充分利用围岩的约束作
用，通过预应力钢材施加预应力，工程中不但耗费大量的预应力钢材，同时由于在锚索张拉过程中
出现摩擦力作用，导致预应力不均匀。同时，耐久性和预应力保持受到钢绞线的耐腐蚀性制约。
20世纪20年代，G·布拉文首先提出了在衬砌与围岩之间预留一条专门的缝隙用灌浆来形
成预应力。此后各国纷纷采用，如澳大利亚、南非、前苏联、德国和法国等，各工程内水压力水头
100～700 m，围岩I～Ⅳ 类，灌浆压力2～10 MPa。灌浆式预应力混凝土衬砌通过压力灌浆的方式
使混凝土衬砌产生预压应力，预应力是由衬砌和围岩之间的压力产生的。该技术可以充分利用围岩
的约束作用，节省大量预应力钢材，同时通过灌浆作用可以加固围岩等。中国在1976年开始进行灌
浆式预应力衬砌的试验研究工作，目前灌浆式预应力衬砌技术也已经列入规范⋯。但由于混凝土
预压应力持续效果不明确，预应力灌浆残余应力不易控制，同时对衬砌厚度、预留的灌浆间隙厚度
要求严等方面的影响，该技术的应用受到限制，影响了其大规模推广应用。
近年来，在对现有预应力混凝土衬砌隧洞工程进行总结和研究的基础上，提出了新型预应力混
凝土衬砌隧洞的新概念，该技术的关键是在围岩和混凝土衬砌结构之间设置由薄钢板制成的圆环形
扁千斤顶，利用灌浆或充水过程中圆环形扁千斤径向位移对?昆凝土衬砌层施加均匀外部压力作用，
从而在混凝土衬砌结构内部产生预压应力。
收稿日期：2014—03—28
基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项(结集1 366)
作者简介：黄吴(1982一)，男，河南新野人，博士生，工程师，主要从事水工结构材料研究。E-mail：huangh@iwhr．coin