魏長(zhǎng)勇，欒衛(wèi)中

（1.遼寧大伙房水庫(kù)管理局，遼寧 撫順113007；2.大唐長(zhǎng)春第二熱電有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 工程概況

大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程是大伙房水庫(kù)輸水工程的配套工程，隧洞位于撫順市南郊，渾河南岸。隧洞段全長(zhǎng)29 km，隧洞斷面為圓形，直徑6 m。

洞線穿越的地層屬華北地層區(qū)，主要為太古代花崗質(zhì)片麻巖、中生界侏羅系小東溝組和白堊系梨樹溝組、燕山晚期侵入巖、新生界第四系及人工堆積物。洞線穿跨的巖體一般為微風(fēng)化或新鮮，較完整，局部溝谷段或斷層帶為全風(fēng)化～弱風(fēng)化，破碎～完整性差。洞線穿過洞線的斷層有9條，斷層一般沿河谷發(fā)育，以較大角度與洞線斜交，以壓或壓扭性為主，區(qū)域構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。

在IV、V類圍巖段，尤其是隧洞進(jìn)出口段，多為頁(yè)巖、泥巖、凝灰?guī)r、輝綠巖等軟巖，巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，部分地段洞室上部圍巖厚度只有9 m，覆蓋層薄。不良地質(zhì)條件下隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在二期工程隧洞段顯的更為重要。

2 隧洞預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌

2.1 初期支護(hù)

隧洞采用新奧法進(jìn)行施工，初期采用噴混凝土，設(shè)置錨桿加鋼筋網(wǎng)，并根據(jù)圍巖情況局部設(shè)置鋼格柵等。

2.2 隧洞襯砌研究

2.2.1 后張法預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌的提出

因圍巖抗?jié)B能力差，內(nèi)水外滲將導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，對(duì)上部環(huán)境破壞嚴(yán)重，很難處理，必須采取嚴(yán)格的防滲要求，襯砌結(jié)構(gòu)按抗裂設(shè)計(jì)。應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼板襯砌。

根據(jù)意大利、瑞士等國(guó)家，對(duì)輸水隧洞采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌與鋼板襯砌的比較資料，輸水洞采用預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌，具有節(jié)省投資，施工期短，能保護(hù)其內(nèi)部鋼筋和鋼絞線不致銹蝕的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置

襯砌混凝土預(yù)應(yīng)力是通過對(duì)布置在襯砌外緣的鋼絞線張拉實(shí)現(xiàn)的。為了張拉錨固，需在襯砌斷面內(nèi)側(cè)布置錨具槽，通過鋼絞線張拉變形，使襯砌受到擠壓，使襯砌截面形成預(yù)壓應(yīng)力。

預(yù)應(yīng)力隧洞的預(yù)應(yīng)力筋布置方案如圖1所示。預(yù)應(yīng)力鋼筋采用高強(qiáng)無粘結(jié)低松馳1860級(jí)4×Φj15.24鋼絞線，公稱截面面積 Ap=4×139 mm2。預(yù)應(yīng)力筋束沿管道軸向的中心間距為470 mm，采用雙層雙圈無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線環(huán)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)4個(gè)錨孔，內(nèi)層2根鋼絞線從錨固端起始，沿內(nèi)層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入內(nèi)層張拉端，外層2根鋼絞線從錨固端起始，沿外層圓周環(huán)繞2圈后進(jìn)入外層張拉端，鋼絞線錨固端與張拉端的包角為2×360°。預(yù)留內(nèi)槽口長(zhǎng)度為1.3 m，中心深度為0.20 m，寬度為0.20 m。

圖1 雙層雙圈無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置圖 mm

2.2.3 基本資料

1）材料特性。預(yù)應(yīng)力襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，W10。混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=27.0 MPa、設(shè)計(jì)值fc=19.5 MPa，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.45 MPa，彈性模量 Ec=3.25×104MPa，泊松比νc=0.167。

預(yù)應(yīng)力鋼筋采用1860級(jí)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力σcon=0.75fptk=1395 MPa。錨具采用夾片環(huán)錨，錨具變形和鋼筋內(nèi)縮值a=5 mm。預(yù)應(yīng)力鋼絞線與孔道壁的摩擦系數(shù)μ=0.0035，考慮孔道每米長(zhǎng)度局部偏差的系數(shù)k=0.0007。普通鋼筋采用標(biāo)準(zhǔn)熱軋II級(jí)鋼筋。

隧洞直徑為6 m，襯砌結(jié)構(gòu)愈薄，預(yù)應(yīng)力效果愈顯著，選定襯砌厚度500 mm。

2）荷載。內(nèi)水壓力按50 m考慮，山巖壓力的計(jì)算與鋼筋混凝土襯砌計(jì)算型式相同，外水壓力按系數(shù)折減法估算，灌漿壓力為0.5 MPa。

3）荷載及其組合。計(jì)算考慮的主要荷載有山巖壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、鋼絞線張拉產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力、外水壓力、灌漿壓力等荷載，并根據(jù)運(yùn)用情況確定荷載組合。

根據(jù)工程建設(shè)及運(yùn)用情況，計(jì)算考慮運(yùn)行期、檢修期、施工期工況，鋼絞線應(yīng)力計(jì)算，分為鋼絞線張拉控制值計(jì)算和預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算，Po＝0.75×fptk。錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失按2階段考慮。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

采用通用有限元分析軟件ANSYS，進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算。

考慮圍巖厚度影響，取不小于兩倍的洞徑，實(shí)際按20 m引入計(jì)算。在所取計(jì)算范圍底部巖石邊界為全固定，頂部巖石邊界為自由；兩側(cè)巖石邊界為垂直邊界面的連桿約束。其中x，y坐標(biāo)軸分別對(duì)應(yīng)襯砌的水平和豎直方向，數(shù)值模型共計(jì)3078個(gè)節(jié)點(diǎn)、2978個(gè)單元。其中平面單元采用二維塊體元Plane42模擬，共計(jì)單元2710個(gè)；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用桿件元Link8模擬，共計(jì)單元268個(gè)。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線和鋼筋混凝土襯砌分別單獨(dú)建模，充分考慮了曲線預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)混凝土的作用，使得有限元模型能夠更真實(shí)的模擬預(yù)應(yīng)力鋼絞線的曲線形式。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的單元節(jié)點(diǎn)與鋼筋混凝土單元間通過約束方程法，建立起相互作用的關(guān)系，隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌數(shù)值模型中預(yù)應(yīng)力鋼絞線單元節(jié)點(diǎn)和混凝土單元節(jié)點(diǎn)之間，通過約束方程建立節(jié)點(diǎn)耦合，共計(jì)512組約束方程。

2.3.2 計(jì)算原則

1）正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。預(yù)應(yīng)力襯砌正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式為：

式中：γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；Sk（·）——作用（荷載）效應(yīng)組合的功能函數(shù)；c——結(jié)構(gòu)的功能限值；Gk——永久作用（荷載）標(biāo)準(zhǔn)值；Qk——可變作用（荷載）標(biāo)準(zhǔn)值；fk——材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ak——結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值。

結(jié)構(gòu)功能限值按二級(jí)裂縫控制等級(jí)取值：作用（荷載）效應(yīng)短期組合下，結(jié)構(gòu)受拉邊緣混凝土的允許拉應(yīng)力限制系數(shù)αct=0.5，即：

作用（荷載）效應(yīng)長(zhǎng)期組合下，結(jié)構(gòu)受拉邊緣混凝土的允許拉應(yīng)力限制系數(shù)αct=0.3，即：

式中：σcs，σcl——分別為作用（荷載）效應(yīng)短期組合、長(zhǎng)期組合下驗(yàn)算邊緣的混凝土法向拉應(yīng)力；σpc——扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后在驗(yàn)算邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力；ftk——混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；γ——截面抵抗矩塑性系數(shù)，取γ=1.55。

2）施工期應(yīng)力驗(yàn)算。預(yù)應(yīng)力襯砌施工期應(yīng)力驗(yàn)算表達(dá)式為：

式中：σct，σcc——相應(yīng)驗(yàn)算工況計(jì)算截面邊緣纖維的混凝土拉應(yīng)力、壓應(yīng)力；ftk′，fck′——與相應(yīng)驗(yàn)算工況混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu′相應(yīng)的軸心抗拉、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

1）運(yùn)行期?；竞奢d組合作用下，隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌沿環(huán)向均為壓應(yīng)力，最小環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為-0.34 MPa，最大環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為-1.77 MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力為1110.2 MPa，最小拉應(yīng)力為1055.2 MPa。滿足設(shè)計(jì)要求。

2）施工期。施工期隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌沿環(huán)向均為壓應(yīng)力，最小環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為-4.55 MPa，最大環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為-23.89 MPa，不超過-24.3 MPa，即不大于0.9fck′；預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力為1041.3 MPa，最小拉應(yīng)力為996.1 MPa。滿足設(shè)計(jì)要求。

3）檢修期。檢修期隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌沿環(huán)向均為壓應(yīng)力，最小環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為-1.27 MPa，最大環(huán)向預(yù)壓應(yīng)力為-20.43 MPa，不超過-27 MPa即不大于fck′；預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力為1057.9 MPa，最小拉應(yīng)力為982.6 MPa。滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

根據(jù)上述3個(gè)工況的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）各斷面均為壓應(yīng)力，而且最大、最小應(yīng)力分布均勻。

2）最大壓應(yīng)力小于混凝土的允許壓應(yīng)力。

3）全截面上的最小壓應(yīng)力大于0，屬于全預(yù)應(yīng)力混凝土機(jī)構(gòu)。

4）隧洞預(yù)應(yīng)力襯砌在各工況下的內(nèi)力可滿足設(shè)計(jì)要求。

由于預(yù)應(yīng)力混凝土施工的特殊工藝要求，上述計(jì)算結(jié)果有待于預(yù)應(yīng)力襯砌實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行驗(yàn)證。