输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究

衬砌间接触界 面的处理条件和 方式密切有关。目
前, 内、外层衬砌之间接触界面的处理类型主要有两 种:
1 )衬 间敷 设有 防 排水 垫 层 。此 时 内 、外 层 衬 砌
由防排水垫层相互隔开。防排水垫层可以保证内、
外层排放渗漏水各行其道, 内、外水间不贯连, 内、外
衬砌结构单独受力, 隧洞 外部作用荷载 ( 包括施工
内、外衬新老混凝土接触界面因处理方式的不 同将会造成接触界面力学性质的明显差异。为此, 本文提出了以下 4种新老混凝土的接触界面模型。
1) 无粘结力模 型。内衬施工前 先将管片内侧 表面的螺栓手孔、注浆孔、吊装孔等凹槽、孔洞均用 水泥砂浆充填抹平, 然后浇注内衬混凝土。为此可 认为, 内外层衬砌界面间只能传递径向压力, 而由于 设定层面间缺失粘结力, 故不能承拉和仅能有限承 剪 ( 界面摩擦力 ), 此时可通过界面摩擦力 ( 由径向 压力引起 )的形式 ( 需经过检算认定 ) 传递内、外衬 层面间的切向剪力。这种复合衬砌接触界面的无粘 结力模型, 建议采用与 管片 土体 接触面作相同 处理的库仑摩擦模型。
可认为此时内、外层衬砌界面之间的位移是协调的, 对其接触界面作变形处理时可采用位移协调模型。
4)局部位移协调模型。外衬管片的手 孔或凹
槽中有足够插筋伸入到内衬混凝土内, 且一些局部 部位经层面间压浆面密贴接触, 此时上下界面间的
径向和切向位移可认为是协调的; 另一些部位如果
层间粘结与摩擦强度不足 而导致上下界面 相互脱
加后张预应力是当前国内外主要采用的一种机械式
形成环箍状张拉的预应力衬砌。我国清江隔河岩和
小浪底二处水电站经过多年的通
0引 言
将盾构工法用于输水隧洞工程在国内外较为少 见。目前, 有 压输水隧洞多采用双层衬砌结构 ( 如 我国尚在施工的南水北调中线一期穿越黄河的输水 隧洞、埃及穿越苏伊士运河输水隧洞和拟建的旧金 山湾输水隧洞 等 ) ; 还有部分输水隧洞是从地下深 部岩层中穿越, 其洞内水压对所产生的结构受力影 响不大 ( 如我国辽宁大伙房水 库输水工程、引红济 石调水工程等 ) ; 而采用大型盾构机在软弱土层中 进行高水压、大直径输水隧洞设计施工, 如上述正建 的南水北调中线穿黄输水隧洞 ( 复合预应力衬砌 ) 则是比较典型的示例。
力沿其圆周径向的环箍内缩效应 ) 大于接触界面间
的粘结强度, 其内、外层衬砌的界面上下脱开, 脱开 界面视为自由界面。
3)位移协调模型。在管 片预制时将螺 栓手孔
设置为锚筋孔, 内衬浇筑前先在管片锚筋孔处设置 锚筋, 锚筋伸入并插设到内衬钢筋笼内, 使之与内衬
受力钢筋点焊连接。在层间经压浆密实的条件下,
( 1)粘结力存在时: | | true = cr it P + c, 认为管 片与内衬接触界面上的剪应力较小, 层间接触面上
下不产生相对滑动。
( 2)粘结力消失后: 认为管片 与内衬接触界面
上下间已经发生了相对滑移, 因而粘结力消失; 但由 于 P的存在, 此后接触面仍能传递一定的切向接触
摩擦应力。此时, 接触面的临界 剪应力变为 = crit P。
开, 则其接触界面的处理方式改为选用上述的无粘
结力模型 ( 即位移不协调模型 )。对此, 上述情况的
取舍均需经相应验算后确定采用何种模型。
2 预应力荷载
在输水压力隧洞复合衬砌的内衬结构中, 经沿 3
结构内的靠外圈一侧从环向施加后张法预压应力, 以抵消日后隧洞承担内水压力时将产生的截面拉应
力, 使二次衬砌成为抗裂结构, 以满足防渗 ( 内水外 渗和外水内渗 ) 与承载力的要求。在隧洞内衬中施
图 1 穿黄隧洞外衬管片纵缝接头的构造示意
图 2 管片实体简化接头的 接触对 模型示意图
在两刚性体参考点之间分别设置剪切弹簧、压缩弹
簧和旋转弹簧, 以模拟接头承受剪、压、弯 3种不同
的力学性能。在缺乏相对应试验的情况下, 这 3根 弹簧的刚度 值 暂 可直 接 取 用 梁 弹簧 模 型 或
壳 弹簧模型 中所对应的弹簧刚度。
地下工程与隧道 2011年第 1期
件良好、盾构隧道直径 < 6. 0 m 的压力隧洞。 近年来, 国内采用盾构法修建的大型有压输水
隧洞和城市大型下水管道中, 其二次内衬结构在输 水隧洞中将作为主要构件参与受力。因此, 研究盾 构输水有压隧洞复合衬砌结构的计算模型已成为一 项重要课题。目前, 盾构隧道复合衬砌平面应变计 算模型一般都沿用双层框架模型。本文提出了一种 基于 地层 - 结构法 的复合衬砌平面应变计算模 型 实体叠合模型。相比于双层框架模型, 该模 型不仅能较好地考虑土体与管片、内衬与外衬的相 互作用以及内衬预应力荷载的力学属性, 还能有效 计入隧洞施工和运营各阶段工况条件下对其衬砌结 构受力的不同影响。
2) 有粘结力模型。在浇筑内衬前, 对外衬管片 内表面较大的凹槽不作抹平, 内衬施作预应力后对 层间再加做压浆处理。此处, 设定内、外层衬砌界面 间沿其法向不仅可传递径向接触压力、而且还能承 受有限拉力 ( 如经测定和检算, 此时接触界面间新 老混凝土已具 有一定的粘结强度时 ), 沿层间切向 则可通过内、外衬层间界面粘结力与摩擦力的双重 形式传递剪力。接触面的切向力学行为此处采用了 有粘结力的库仑摩擦模型。模型的层间界面粘结力 与其足够的粘接强度认为是相互依存的, 当其中一 个消失, 另一个也同时消失。
具有粘结力的库仑摩擦模型, 可以按如下定义:
地下工程与隧道 2011年第 1期
| | true | | true
= crit P + c 粘聚力存在 ( 2)
= crit P
粘聚力消失
式中: c为新老混凝土的层间粘结力; P 为层间界面
处的径向压应力。
由式 ( 2) 可知, 对此处接触面 的切向力学行为 可再区分为以下两种情况考虑:
1
管片错缝拼装对横截面受力和变形的附加影响在文 中暂未纳入考虑。 1. 2 围岩 结构系统 的有限元法模拟
在实体叠合模型中, 本文采用 了按 地层 - 结 构法 计算管片和内衬的受力与变位; 对 围岩 结 构系统 采用实体单元有限元法建模。 1. 3 实体简化接头模型
目前, 对管片纵缝接头力学效应的数值模拟主 要有两种方法: 采用 接头弹簧单元 , 以近似模拟 管片纵缝接头的力学属性; 采用 接触单元 , 以相 对真实地模拟管片纵缝接头的力学性能。当管片采 用实体单元模拟时, 其接头的力学性能采用 接触 单元 模拟也较为妥善。但 接触单元 模型在计算 过程中存在以下几方面的问题:
1 复合衬砌结构计算的实体叠合模型
1. 1 模型基本假定 沿隧道纵向, 上述内、外层复合衬砌结构可认为
是一个在无限长地基内的地下结构体。当管片采用 通缝拼装的条件下, 管片环的内力不沿纵向发生变 化, 计算中可将每环管片简化为平面应变问题考虑; 而改用管片错缝拼装后, 其沿纵向的空间约束效应 对管片横截面受力和变位 均会产生一定的 附加影 响。为使本文所讨论的几个问题集中起见, 相邻环
期、运行期增加的 ) 和外衬自重均 由外衬管片单独
承载; 而内衬自重和施工期与运行期内衬预应力荷 载及内水压力则由内衬单独承担。上项力学和结构
上的分工条件是明确的。
2
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2) 衬间不敷设防排水垫层。此时内、外层衬砌 接触界面为新、老混凝土界面直接接触, 在确保界面 剪应力传递的条件下, 内、外衬结构将起叠合作用而 共同受力。根据上述两种接触界面处理的类型, 本 文提出了以下 5种接触界面模型。 1. 5. 1 敷设防排水垫层情况 (界面模型一 )
1. 4 管片 土体接触模型
地层与管片之间的接触界面可采用一种无厚度
的 接触对 进行模拟。 接触对 的法向力学行为
采用 硬接触 模拟; 接触对 的切向力学行为则采
用库仑摩擦模拟。库仑摩擦模型用于判断接头的接
触界面是否发生相对错动, 同时也可用于分析左右
端面相对滑动对管片衬砌应力场的影响。
库仑摩擦模型可以定义为
1) 以接触单元模拟管片接 头的理论和试验研 究较少, 且缺乏实践数据。
2) 对接头螺栓约束条件的处理较感困难 ( 如: 螺栓端部与管片的接触以及整个螺栓面与螺栓孔的 接触条件等 ) 。
3) 管片环端面衬垫材料的力学参数不易确定。 4) 为细致地模拟接头的力学属性, 接头处的单 元划分必须足够小且密。 为此, 本文提出了一种新的实体简化管片接头 模型, 既能避免接头部位上述的复杂考虑, 又能借用 过去从常规试验所得、或直接采用接头刚度作理论 计算时的接头力学参数, 以专门针对采用实体单元 建模时复合衬砌结构 的计算分析。该模型 ( 接触 对 )及其与 管片接头实际构 造的对比示意 见图 1 和图 2。 在上项 接触对 模型中, 将接头端肋与刚性体 相连, 并于管片截面形 心处设置刚性 体的参考点。
| | true
= crit P
( 1)
式中: true为计算所得的真实剪应力; cr it为端面滑动
前的最大临界剪应力; 为接触界面的综合摩擦系
数; P 为 接触对 的法向压力, 当 P < 0时, P 取 0。 1. 5 内、外衬复合衬砌的衬间接触界面模型
复合衬砌内、外衬间的接触界面模型与内、外层
相对于 管片 衬砌, 防排 水 垫层 的厚 度比 较薄 ( 一般约 10 mm ), 如采用实 体单元模拟, 则因垫层 较薄而使网格划分尺度不易掌握, 如网格化后的单 元过多过密, 将造成求解困难。本文改为选用了有 初始间隙量的 接触对 , 以模拟垫层的力学性能。 初始间隙量设定为垫层厚度, 而 接触对 的材料属 性则可参考防排水垫层的材料参数确定。由于垫层 只能沿其法向传递径向压应力, 而不能沿切向传递 剪应力, 因而垫层间隙 接触对 的切向本构选用了 无摩擦模型。 1. 5. 2 不敷设防排水垫层情况 (内、外衬新老混凝 土直接接触, 界面模型之二 ~ 之五 )