盾构输水隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构设计研究_沈来新

水利水电技术第44卷2013年第7期

盾构输水隧洞预应力钢筋混凝土衬砌

结构设计研究

沈来新，付云升

（北京市水利规划设计研究院，北京100048）

摘

要：随着埋深不断增加，输水隧洞由埋深产生的内水压力相应增大，普通钢筋混凝土衬砌结构已不能满足承载要求。为此，对北京市南水北调中线配套工程东干渠工程的隧洞预应力衬砌结构设计进行了探讨研究。结果表明，利用现有成熟技术采用压浆式预应力复合衬砌可以满足该结构的适用性和耐久性要求。

关键词：盾构施工;压浆;预应力;复合衬砌;配套工程;东干渠;南水北调中线工程

中图分类号：TV682.1（21）

文献标识码：B

文章编号：1000-0860（2013）07-0073-04

Design and study of pre-stress reinforced concrete lining structure for shield-water conveyance tunnel

SHEN Laixin ，FU Yunsheng

（Beijing Institute of Water ，Beijing 100048，China ）

Abstract ：Along with the increase of the buried depth ，the internal water pressure caused by the buried depth of water convey-ance tunnel is correspondingly increased ，and then the conventional reinforced concrete lining structure can no longer meet the relevant load bearing requirement.Therefore ，the design of the pre-stress reinforced concrete lining structure of the tunnel for the East Main Canal —

——the ancillary works to the Mid-Ｒoute of the South-to-North Water Transfer Project is discussed and studied.The result shows that the requirements of both the applicability and the durability of the structure can be satisfied by the applica-tion of grouting pre-stress composite lining with the existing mature technology concerned.

Key words ：shielding construction ；grouting ；pre-stress ；composite lining ；ancillary works ；East Main Canal ；Mid-Ｒoute of South-to-North Water Transfer Project

收稿日期：2013-06-09

作者简介：沈来新（1961—），男，教授级高级工程师，院长。

1概述

东干渠工程是南水北调中线北京市配套工程的一部分，位于市区东部，沿五环与其他配套工程衔接形成输水环路。全线采用盾构法施工，长44.7km 。除北五环起点近1km 砂卵石地层外，往东南均为粘粉、粉粘、砂土，围岩工程地质分类为V 类，工程区地下水埋藏类型上层主要为潜水、下层主要为承压水，分布较为连续，范围较大，地下水位较高，大部分地区地下水埋深在5 8m 。洞线紧邻五环路且穿越建（构）筑物众多，其中桥梁37处、轨道交通12处、铁路4处、道路541条。工程地震设防烈度按Ⅷ度考虑，地震动加速度峰值按

0.24g 设计。

东干渠工程穿越地下构筑物几十处，尤其是地下

轨道交通提出下穿净距不小于6m 的要求，致使隧洞埋深增大。北京输水环线已建成的西四环暗涵暗挖隧洞、团九和南干渠盾构隧洞埋深在12 15m 左右，而东干渠隧洞埋深增加到20m 左右，最大埋深达29.4m 。随着地下空间开发程度的提高，隧洞埋深必然逐步加大，如规划拟建的北京市排水廊道预计埋深将超过40m 。

北京供水环线均为重力流输水，地面以上水头在

沈来新，等∥盾构输水隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构设计研究

表1

预应力管片厚度比选计算

管片厚度/mm 普通钢筋一侧面积A s =A's /mm 2钢绞线面积A p /mm 2钢绞线数量（对应公称直径18mm ）/根最大预

压力/kN 预应力损失百分比/%最不利截面加预应力前边缘拉应力/MPa 最不利截面加预应力后边缘拉应力/MPa 0.7f tk /N ·mm －23009428713632696847.610.52 1.17 1.8483504561624428609748.

29.98 1.33 1.

848400构造配筋535224522648.28.95 1.76 1.848500

构造配筋

4460

20

4355

47.7

6.61

1.76

1.848

10m 左右，最大15m ，在隧洞埋深不大时普通钢筋混凝土衬砌能够满足承载要求，而东干渠因为埋深增大其隧洞内水水头较已建工程增加了近10m ，最大内水水头达到45m ，明显已经超出了普通钢筋混凝土的正常使用状态承载极限（一般25m 水头左右，限裂设计）。

在我国水利工程中，盾构输水隧洞连续运行多年的工程实例有限，缺乏应用经验，由于需承受内水压力带来的诸多技术问题，业内对隧洞采用何种结构形式存在较大争论，设计理念差异较大。为此在东干渠工程中对盾构输水隧洞预应力衬砌结构设计进行了初步研究，主要包括预应力管片单层衬砌、二衬现浇后张环向预应力复合衬砌和压浆式预应力复合衬砌三种型式。

2预应力管片单层衬砌

预应力混凝土管片是在混凝土管片中预埋管道，待管片拼装成环后，在预埋管道中穿入无粘结预应力钢绞线，并进行张拉、锚固，通过预应力使管片紧密地连接在一起，形成整体的一种盾构隧道管片技术。目前日本已经研发了两种预应力混凝土管片，分别是P＆PC 混凝土管片以及PC －Net 混凝土管片（见图1、图2）。

图1P＆PC 混凝土管片

图2

PC －Net 混凝土管片

P＆PC 混凝土管片的施工方法是先将一整环管片拼装完毕，再从管片内表面沿环向穿入预应力钢绞线，并进行张拉、锚固，最后再对锚具槽进行封堵。若有必要，还可以沿隧道轴向穿入预应力钢绞线，在隧道轴向施加预应力。PC －Net 混凝土管片的施工方法是在每一块管片拼装到位后，随即在管片侧面交叉穿入预应力钢绞线，并进行张拉、锚固，最终形成网状的预应力布置。

针对东干渠过程实际情况，对预应力管片厚度进行了比选计算。内水压力25m 水头，覆土厚12m ，土压力按泰沙基理论计算，侧压力系数0.50，预应力混凝土结构裂缝控制等级为二级。结果如表1所列。

可以看出，在采用东干渠实际使用的盾构机的情况下，管片厚度为300mm ，埋深加大造成了内水压力增大和土压力增加双重不利效应，而预应力的采用使得管片受力趋于恶化。土压力和预应力的叠加使得普通钢筋配筋量增加，为抵抗土压力与内水压力造成的偏心拉应力预应力钢筋配筋量也很大，都已超出管片的配筋容纳能力。比较合理的厚度为500mm ，但这需要对盾构机作较大的改动或重新采购盾构机，这对东干渠相对紧张的工期来说是做不到的。

另外为确保盾构法隧道的耐久性与降低施工、运营阶段安全风险，一般应在管片衬砌基础上增加

二次衬砌。盾构法隧道设计寿命周期一般要求为100年（根据日本的研究成果，管片保护层厚度应大