摘要：本文介绍了用于水利工程输水盾构隧道的新型预应力复合衬砌性能。本文建立了三维有限元模型，分析了预应力的应力分布和变形特征当隧道处于装配状态，张力状况和充水状态时的复合衬里。通过与全尺寸模拟实验的结果进行比较来验证有限元模型。计算分析结果表明，当隧道处于充水状态时，可以限制节段缝隙进一步张开，实现二次衬砌全周压缩，有利于预应力长期作业复合衬里。膜对防止应力在节段衬里和二次衬里之间传递具有显著效果。数值计算通过全尺寸模拟试验的结果进行验证，三维数值模型结合分析方法可以模拟预应力复合衬砌的结构特点和承载机理。
关键词：水利工程；衬砌技术；应用
衬砌主要应用于水利工程的隧道结构，由外部节段衬砌和内部二次预应力衬砌组成，内部为圆形锚索。这种二次预应力衬砌可以克服混凝土抗拉强度较小的缺点，使得混凝土材料可以充分利用以承受内部高压。因此，与普通双层衬砌相比，预应力复合衬砌更适合高内压盾构隧道。这种新型预应力复合衬砌结构在水利工程中的应用引起了很大的关注。
1.衬砌技术特点
随着隧道掘进机技术的普及，世界各地出现了带单层节段衬砌的盾构隧道。单层节段内衬的数值模型主要包括均匀环模型、多铰链环模型、梁弹模型和壳弹模型。此外，有人提出了三维有限元模型来考虑分段的三维效应。随着地铁盾构隧道和公路盾构隧道节段衬砌的广泛应用，学者们对上述计算模型进行了广泛研究，取得了许多有价值的研究成果，可为计算预应力复合衬砌的节段衬砌提供参考。
近年来，单层圆形预应力混凝土衬砌已应用于我国的一些大型压力隧道，如隔河岩水电站输水隧洞，天生桥一级水电站输水隧洞，小浪底工程的排沙洞。预应力锚索通常相当于薄钢板，预应力简化为具有圆形锚索的预应力衬砌设计中的均匀径向压力。这种简化的方法不适合作为预应力圆形锚索衬砌设计的唯一依据。此外，结果应通过三维有限元分析或物理模型实验进行验证。
预应力复合衬砌是由节段衬砌和预应力衬砌与圆形锚索组合而成的。此应用程序是预应力复合衬砌首次应用于隧道工程。因此，相关的工程经验是有限的，可以直接引用的计算模型很少。有关复合衬的研究主要集中在盾构隧道普通双层衬砌上。而现有的复合衬砌数值模型大多依据国际隧道协会（ITA）颁布的盾构隧道衬砌设计指南。在双壳结构的情况下，计算二次衬砌的构件力的方法可分为层状框架模型法和弹性方程法。基于层状框架模型方法，提出了一些改进的数值模型。
有四个主要的数值模型。在模型I中，使用径向梁来模拟节段衬砌和次衬砌之间接触表面上的应力传递。但是，这种模型会导致节段衬砌或二次衬砌固定点的弯矩突然变化。在模型II中，分别使用径向弹簧和切向弹簧来模拟径向应力和接触面上的切向应力的传递。这两种型号无法避免接触表面出现径向张力。在模型III中，建议使用径向压缩杆代替径向弹簧。当压杆元件处于拉伸状态时，其轴向力变为零。在模型IV中，采用接触元素来模拟接触表面上的应力传递，并且需要摩擦系数来反映切向应力的传递。
模型I-模型IV被用于计算以普通混凝土衬砌作为次衬砌的复合衬砌。二次衬砌是一种预应力衬砌，采用粘结圆形锚索。预应力沿预应力锚索长度方向的分布不均匀，必须考虑锚索沿轴向的布置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，二次衬砌的应力分布比普通混凝土衬砌的应力分布更为复杂，必须使用三维实体模型进行模拟。但是，上述四种模型均基于二维弹簧模型或三维弹簧模型，而弹簧或杆件的刚度计算方法不适用于三维实体模型。另外，节段衬里和二次衬砌仅在底部粘合在一起，而其他部分则由隔膜隔开，这是上述I型-IV型中未考虑的重要结构。因此，如果直接使用上述数值模型，则不能很好地计算分段衬砌和次衬砌的实际应力。
2.衬砌技术在水利过程中的应用
2.1节段衬砌的周向应力
在装配条件下，土压力和外部水压均由分段衬砌承担。由于隧道的变形形状是一个压扁的椭圆形，所以在斜拉索的拱顶外表面，拱顶的拱顶内表面和拱顶内表面的底部会出现周向张力。同时，节段的径向接头在那里打开。最大接缝间隙约为0.08毫米，接缝间隙的最大深度约为片段厚度的四分之一。在张力状态和充水状态下，除底部以外的部分衬砌的周向应力分布与装配状态下的应力分布一致。为了进一步相互对比，在三个条件下分析了在分段衬砌部分（Z = 5600）的中间环中的节点的圆周应力。
根据计算结果，在三种情况下，分段衬砌的上部的圆周应力是相似的。这是因为节段衬里和二次衬里的上部被膜隔开，这可以防止应力从二次衬里传递到节段衬里。由于二次衬砌和节段衬砌在底部粘结在一起，二次衬砌的预应力可传递到节段底部，因此在张拉状态下底部的周向压缩应力大于装配状态下的压缩应力衬。在充水的情况下，底部的圆周压缩应力螺栓和段之间的接触面分段衬里和二次衬砌之间的相互作用在张力状态下，由于内部水压也可以传递到节段内衬的底部。由于内部水压的作用，只有隧道弹簧线外板表面的缝隙增大。然而，通过比较充水条件和组装条件，间隙的最大增量几乎不超过0.01mm，并且由内部水压引起的周向应力的增加在部分的大部分位置处不明显衬里。因此，可以有效地限制节段节点进一步开放，减少外部地下水的渗透，提高节段内衬的稳定性。
2.2节段衬砌与次衬砌之间的界面间隙
二次衬里和部分衬里的底部以58.452°的圆周角度粘合在一起，其他部分由膜分开。由于预应力，在张紧状态下二次衬里向内收缩。衬里弹簧线上方的间隙（D）是开放的，在顶部位置出现的最大间隙约为2.1毫米。因此，应力不能从二次衬里的上部传递到节段衬里。内衬弹簧线下面的径向压缩弹簧被压缩。根据弹簧的力量，膜的压缩应力非常小，最大压缩应力约为-0.08MPa（负值表示压缩应力）。
3.结语
本文根据水利工程预应力混凝土衬砌的特点，采用有限元方法建立了三维实体模型。研究了节段衬砌、二次衬砌和节段衬砌与二次衬砌之间应力传递的性能。可以得出关于预应力复合衬砌的一些结论。当隧道处于拉伸状态时，衬砌的弹簧线以上的界面间隙开放，并且在充水条件下界面间隙减小。因此，衬砌的弹簧线以上的应力不能在分段衬里和二次衬里之间传递。内衬弹簧线下面的膜被压缩，而压缩应力非常小。因此，膜可以在防止应力传递方面发挥重要作用。
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论文作者:韩振存,王玉娟,王玉红
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/21
标签：应力论文; 预应力论文; 衬里论文; 模型论文; 隧道论文; 弹簧论文; 盾构论文; 《防护工程》2018年第32期论文;