中建八局第三建设有限公司 江苏南京 210046
摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，某省中部城市引松供水工程输水总干线，沿线地质条件变化复杂，有部分浅埋有压隧洞，设计采用了预应力混凝土衬砌；有部分覆土深度较浅，为7~18m，成洞条件极差，文中对采用“内圆外城门洞型”现浇预应力涵结构施工，进行了分析。
关键词：预应力隧洞；施工进度
引言
无粘结环锚预应力衬砌是一种新型的高压水工隧洞衬砌形式，目前已被广泛应用到各水库供水工程中。大量实践表明，无粘结环锚预应力衬砌在实际应用中具有受力均匀、管理成本低、运行稳定等特点，但由于水库工程施工的特殊性，其在该领域中的应用仍存在低应力范围广、锚具槽应力状态不稳定等不足之处，为此需结合有关技术手段对该衬砌结构进行优化设计，以确保衬砌预压应力的稳定性，提高锚具保护的可靠性。
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分析等方面均进行过大量的研究工作。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9.5m，天生桥一级水电站净内径9.6m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，净内径6.5m，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。
2概述
2.1预应力隧洞试验
总干线隧洞预应力原位试验于2016年10月19日开始施工，截止到2017年3月18日，室内锚具槽模型试验、第一阶段、第二阶段试验混凝土浇筑、养护、张拉试验已经完成。
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2.2预应力涵洞试验
根据模型施工进度，试验分六个阶段进行：第一阶段：准备阶段。第二阶段：预应力涵混凝土浇筑与仪器埋设阶段。第三阶段：封堵系统施工阶段。第四阶段：钢绞线张拉试验。第五阶段：充水试验阶段。第六阶段：填土试验阶段。第七阶段：再充水试验阶段。预应力涵洞试验已于2017年8月开始。目前，第一模混凝土已浇筑完成，进行养护，第二模试验正在支模，准备浇筑混凝土。
2.3现浇预应力涵施工进度初步估算
根据现浇预应力涵试验进展情况，2017年11月15日，在某工程五标段会议室对预应力涵洞试验施工工艺及施工进度进行了交流分析，并对实际应用生产进度进行了探讨。目前预应力涵洞浇筑了一仓12m，根据试验施工工艺，预应力涵洞混凝土完成一仓12m需7d时间（未考虑连续流水作业）。
3无粘结环锚预应力衬砌结构的优化
1）无粘结环锚预应力衬砌结构计算。无粘结环锚预应力衬砌结构计算需借助现代软件技术，比如利用三维有限元分析法对锚具预应力荷载的分布情况进行计算。具体操作步骤为：选择计算精准度高、符合结构特点的计算方法，所需计算的内容包括加载面分布系数、预应力在特定状态下的损失情况等；而预应力荷载分布情况的计算首先需计算荷载的种类及特点，并针对原有受力作用下所施加的内水压力进行计算分析，包括均匀内水压力和无水头洞内满水压力。2）有限元模型的建立。在预应力荷载计算前，利用三维有限元分析法结合预应力衬砌结构特点建立相应的模型，并在模型建立过程中考虑到预应力钢绞线在承载衬砌与隧洞围岩上所起到的作用。在模拟衬砌混凝土的过程中，在确保混凝土各方向受力均匀的基础上，可采用建立坐标位移的方式对其进行三维模拟，具体内容为：利用分析软件对混凝土状态进行实时监测，并对其所涉及的节点进行标识，且每个节点的横向方向用x表示、纵向方向用y表示、位移方向用z表示，经过对这些节点单元的模拟处理，混凝土的抗变能力、应力分布状况等均有所提升。由于衬砌结构围岩与混凝土是一个共同抵抗外界荷载的整体，基于这一特点，可采用三维实体单元SOLID45进行模拟，具体计算方法为：通过确定围岩长度、宽度和厚度来明确需要建立的模型范围，由于预应力荷载的主要作用力是指向衬砌断面圆心的，而围岩主要起到稳固衬砌结构的作用，这种情况下，围岩厚度、长度和宽度是不受衬砌受力不均匀影响的；而模型范围的确定需从混凝土的现浇状态和约束力分布情况这两个方面入手：一方面由于围岩侧面主要采用连杆进行约束，故围岩下部是与地下固定在一起的，稳固性较强；另一方面现浇状态下混凝土的连杆稳固作用是由计算模型来决定的。无粘结环锚预应力结构在经过优化后，可得出以下结论：一是从衬砌结构的整体性出发，单、双排锚具槽形式的最小预应力出现位置是一致的，唯一不同的是单、双排锚具槽形式的最大环向应力分别处于衬砌结构外侧和内侧；二是从预应力分布情况来说，单、双排锚具槽形式所建立的预应力分布相对均匀，但单排锚具槽形式所承受的平均预应力比双排锚具槽形式的要大；三是从轴向压应力分布情况来看，单排锚具槽形式的最大轴向压应力较为均匀地分布在衬砌结构内侧，而双排锚具槽最大轴向压应力分布相对分散，主要分布在锚具槽底部外侧。
4建议
1）预应力隧洞（涵洞）施工在试验阶段由于工序衔接不紧凑及工人不熟练，可能使施工效率偏低。在生产阶段应使用试验阶段有经验的人员施工，尽快提高工作效率。2）目前试验阶段没有深入研究流水作业，在生产阶段应总结经验，尽量向普通钢筋混凝土施工一样，绑扎钢筋与衬砌施工进行流水作业，提高生产效率。
结语
综上所述，新型预应力混凝土衬砌隧洞的主要优点是：（1）充分发挥围岩抗力作用，采用外加预应力法，利用圆环形扁千斤顶施加预应力，省掉了现有技术中预应力钢材和锚具，施工方便，不存在锚具、钢材的锈蚀问题，更加安全可靠。（2）鉴于混凝土的抗压强度较高，可适当提高预应力度，施加较大的预应力，因而在运行条件下，衬砌混凝土不会出现拉应力，也就不会开裂，自然也就不会出现内水外渗现象。（3）由于环向预压应力和两衬砌段之间预压应力止水结构，因而隧洞的不透水性好。（4）采用圆环形扁千斤顶施加荷载，应力分布均匀，不存在沿程摩擦损失。同时，由于混凝土徐变和围岩的塑性变形所引起的预应力损失，已通过水介质超载大部分被补偿或“收复”，因此永存预压应力更加安全可靠。
参考文献
［1］广东省东江-深圳供水改造工程建设总指挥部.东深供水改造工程第二卷工程设计［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.
［2］广东省东江-深圳供水改造工程建设总指挥部.东深供水改造工程第三卷工程施工［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.
［3］广东省东江-深圳供水改造工程建设总指挥部.东深供水改造工程第五卷技术研究与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.
［4］中国水利水电勘测设计协会.调水工程应用技术研究与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2009.
论文作者:马清杰,熊新光,于相平
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/24
标签：预应力论文; 混凝土论文; 隧洞论文; 围岩论文; 应力论文; 阶段论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;