南水北調(diào)穿黃隧洞內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

姜小蘭，吳 浪，孫紹文，張小偉

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)，武漢 430010；2.武警水電第六支隊(duì)，湖北宜昌 443133）

南水北調(diào)穿黃隧洞內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

姜小蘭1，吳 浪2，孫紹文1，張小偉1

（1.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)，武漢 430010；2.武警水電第六支隊(duì)，湖北宜昌 443133）

南水北調(diào)中線穿黃隧洞內(nèi)襯張拉，采用弧形墊座將內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力錨索導(dǎo)出預(yù)留槽，只用一臺(tái)千斤頂實(shí)現(xiàn)無臺(tái)座張拉，這在盾構(gòu)隧洞工程中屬首次應(yīng)用，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、工藝復(fù)雜可借鑒的資料較少。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，完善施工工藝，確保在隧洞襯砌中成功應(yīng)用，通過穿黃隧洞襯砌1∶1仿真模型試驗(yàn)，對(duì)內(nèi)襯鋼絞線在張拉過程中應(yīng)變規(guī)律、應(yīng)力損失、錨束之間的相互影響及錨索與波紋管間的摩阻系數(shù)等要素進(jìn)行研究分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示張拉錨固端應(yīng)力總損失（包括錨具損失和錨索回縮損失）小于35%；錨具鎖定后最大應(yīng)力為1 044.25 MPa；預(yù)應(yīng)力錨索張拉對(duì)相鄰錨索的影響較小；錨索與管道間的摩阻系數(shù)在規(guī)范范圍內(nèi)。

穿黃隧洞；環(huán)錨預(yù)應(yīng)力；錨索應(yīng)力應(yīng)變；摩阻系數(shù)

南水北調(diào)穿黃隧洞工程是南水北調(diào)中線的關(guān)鍵工程，也是我國穿越大江大河規(guī)模最大的輸水隧洞，被稱為南水北調(diào)的“咽喉工程”。兩條平行引水穿黃隧洞是整個(gè)穿黃工程最引人矚目的控制性建筑物，每條隧洞總長4 250 m，單洞內(nèi)直徑為7 m，外直徑為8.7 m［1］，穿黃工程由南北岸明渠、南岸退水建筑物、進(jìn)口建筑物、邙山隧洞段、穿黃隧洞段、出口建筑物、北岸新老蟒河渠道倒虹吸、南北岸跨渠建筑物和南岸孤柏嘴控導(dǎo)工程等組成。穿黃工程是南水北調(diào)中線工程的關(guān)鍵工程，預(yù)應(yīng)力環(huán)錨在國內(nèi)用于水電工程實(shí)例較少，可借鑒的資料為數(shù)不多。本課題通過穿黃隧洞襯砌1∶1模型試驗(yàn)，較真實(shí)地模擬隧洞受力條件、施工工藝，通過預(yù)應(yīng)力張拉實(shí)地監(jiān)測(cè)，揭示工作性態(tài)，為新技術(shù)成功應(yīng)用和確保工程安全順利實(shí)施，提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)基本概況

穿黃隧洞采用雙層襯砌，外襯為拼接式鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，厚度40 cm；內(nèi)襯為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，厚度45 cm；內(nèi)、外襯由彈性防、排水墊襯分隔，且分別獨(dú)立工作［1］。內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力采用環(huán)錨（HM）預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，采用有粘結(jié)鋼絞線，單束錨索由12根鋼絞線集束組成，下料長度為26 m。錨索沿軸向間距40 cm，借助弧形墊座將錨索導(dǎo)出預(yù)留槽外，只用一臺(tái)千斤頂實(shí)現(xiàn)無臺(tái)座張拉，在盾構(gòu)隧洞工程中屬首次應(yīng)用，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、工藝先進(jìn)。環(huán)形后張預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌技術(shù)在國外早在20世紀(jì)70年代已得到廣泛應(yīng)用。但在地下圓形洞室中應(yīng)用是一個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域，目前在我國還處于探索和發(fā)展階段。為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，完善施工工藝，對(duì)穿黃隧洞襯砌進(jìn)行1∶1仿真模型試驗(yàn)研究。本次測(cè)試工作主要對(duì)內(nèi)襯鋼絞線在張拉過程中應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律、應(yīng)力損失、錨束之間的相互影響及錨索與波紋管間的摩阻系數(shù)等進(jìn)行測(cè)量。

圖1 模型現(xiàn)場(chǎng)施工Fig.1 M odel of construction at site

2 模型試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

模型照片見圖1，錨具槽分布圖見圖2。內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力環(huán)張拉鋼絞線彈性模量為198GPa，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，模型縱向長為9.6 m，共24束錨索，每一束由12根鋼絞線集束而成，每根鋼絞線由7根?5鋼絲組成。每束錨索配HM15-12型工作錨板一塊（含夾片）及其配件一套。

圖2 錨具槽分布及鋼絞線應(yīng)變測(cè)位布置展視圖Fig.2 Exhibiting view the distribution of anchors slot and steel strand location layouts of strain-measuring（unit in mm）

圖3 1-1監(jiān)測(cè)斷面鋼絞線應(yīng)變測(cè)位布置圖（mm）Fig.3 M easuring location layout of steel strand strain at them onitoring section 1-1（unit in mm）

預(yù)應(yīng)力張拉鋼絞線測(cè)試內(nèi)容如下：

（1）預(yù)應(yīng)力張拉過程中鋼絞線應(yīng)力變化及分布；

（2）張拉荷載與鋼絞線應(yīng)力之間的關(guān)系；

（3）錨固端應(yīng)力損失；

（4）預(yù)應(yīng)力張拉過程中錨索之間的相互影響；

（5）錨索與波紋管間的摩阻系數(shù)。

2.2 監(jiān)測(cè)斷面與計(jì)算原理

在1節(jié)（長9.6 m）隧洞中，共布置有24束錨索。管道的結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，中間斷面為隧洞受力的典型斷面，靠端部斷面是應(yīng)力較復(fù)雜的部位，因此在隧洞一側(cè)布設(shè)5#，8#，11#3斷面，另一側(cè)布設(shè)14#，17#和20#6束錨索作為試驗(yàn)斷面，見圖2。為了反映應(yīng)力沿環(huán)向的分布情況，每束錨索沿環(huán)向0°，40°，80°，147°，213°，280°，320°布置7個(gè)監(jiān)測(cè)部位（其中147°，213°兩測(cè)位是考慮地面砼墊層及受力特點(diǎn)而作的適當(dāng)調(diào)整），每個(gè)監(jiān)測(cè)部位布置6枚應(yīng)變片，為了便于在鋼絞線上固定應(yīng)變片及引出線，模型對(duì)每一監(jiān)測(cè)部位預(yù)留窗口。模型中共計(jì)42個(gè)監(jiān)測(cè)部位、252枚應(yīng)變片（補(bǔ)償片除外）。監(jiān)測(cè)斷面詳見圖3。

鋼絞線實(shí)測(cè)應(yīng)力計(jì)算公式為

式中：E為彈性模量；ε為所監(jiān)測(cè)部位測(cè)得的應(yīng)變值，取監(jiān)測(cè)部位6枚應(yīng)變片的平均值為計(jì)算值。

鋼絞線摩阻系數(shù)計(jì)算公式［2］為

式中：μ為鋼絞線與管道摩阻系數(shù)；σ0為預(yù)應(yīng)力筋張拉端的張拉控制應(yīng)力（MPa）；σ為錨索測(cè)試點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力（MPa）；θ為從張拉端至計(jì)算截面曲線孔道部分切線的夾角之和，分段后為每分段中各曲線段的切線夾角和。

2.3 電阻應(yīng)變片安裝過程

（1）電阻應(yīng)變計(jì)（簡(jiǎn)稱電阻片）在粘貼安裝前均進(jìn)行了檢驗(yàn)；每片的阻值相同且穩(wěn)定方可使用。

（2）每束錨索7個(gè)測(cè)位，每個(gè)測(cè)位布設(shè)6個(gè)電阻片，故6個(gè)試驗(yàn)錨索共計(jì)252個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（3）錨索第1次預(yù)緊后，在開設(shè)的窗口和預(yù)留槽內(nèi)粘貼電阻片。先用柴油洗去錨索表面油脂和鐵銹，并對(duì)鋼絞線表面進(jìn)行打毛砂光處理，用丙酮清洗，然后用502膠將應(yīng)變片沿鋼絞線軸線貼在外層的鋼絲上，進(jìn)行絕緣處理，待膠固結(jié)后，檢測(cè)電阻片的各項(xiàng)讀數(shù)，若應(yīng)變片檢查均合格，涂上保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)。

（4）溫度補(bǔ)償片在室內(nèi)制作。截取一段約10 cm長的鋼絞線，洗油、表面打毛砂光處理，丙酮清洗，然后在鋼絲上將應(yīng)變片粘貼好。檢測(cè)合格后，表面涂上保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)，放入內(nèi)徑60 mm，長約1.5 m的一節(jié)鋼管內(nèi)，并將鋼管兩端密封。

（5）鋼絞線拉伸時(shí)，為避免損壞電阻片，布置電阻片時(shí)考慮了鋼絞線的滑移方向和長度，并采用涂層保護(hù)電阻片，避免因鋼絞線滑移而損壞。

2.4 試驗(yàn)加載步驟

2.4.1 單根鋼絞線預(yù)緊

對(duì)于1#至24#錨索，采用YDC240QX型千斤頂逐束對(duì)單根鋼絞線預(yù)緊，具體要求如下。

第1輪預(yù)緊：只對(duì)試驗(yàn)束。5#，8#，11#，14#，17#，20#錨索中的每根鋼絞線依次分別預(yù)緊至21 kN；

第2輪預(yù)緊：對(duì)1#至24#錨索中的每根鋼絞線依次預(yù)緊至42 kN，然后對(duì)5#，8#，11#，14#，17#，20#錨索分別粘貼電阻應(yīng)變片，并開始進(jìn)行觀測(cè)。

2.4.2 錨索整束張拉

錨索整束采用YCW250B（或YCW350B）千斤頂作整束拉張，分三序進(jìn)行。張拉前、錨固后進(jìn)行錨索應(yīng)力測(cè)試。在張拉過程中，嚴(yán)格控制兩邊張拉應(yīng)力的平衡，避免鋼絞線伸長不均勻，對(duì)應(yīng)變片造成損壞。在每級(jí)張拉過程中均進(jìn)行錨索錨固力以及隧洞內(nèi)、外表面裂縫的觀測(cè)。

（1）第一序拉張：由1#至24#按編號(hào)順序逐束進(jìn)行拉張。測(cè)試錨索荷載分1 000，1 250，1 500 kN三級(jí)拉到1 500 kN。

（2）第二序張拉：由2#至23#按編號(hào)順序逐束進(jìn)行張拉。測(cè)試錨索荷載分1 750，2 000，2 250，2 500 kN四級(jí)拉到2 500 kN。

（3）第三序張拉：對(duì)1#和24#錨索進(jìn)行1 750，2 000，2 250，2 500 kN四級(jí)荷載張拉到2 500 kN。

張拉加荷過程中，均需對(duì)該錨索的預(yù)留槽外壁面進(jìn)行觀察，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫、破損、曲折，均應(yīng)立即停止張拉。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 第一序張拉成果

后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線在張拉過程中，主要受到以下兩方面的因素影響：一是管道彎曲影響引起的摩擦力；二是管道偏差影響引起的摩擦力，導(dǎo)致鋼絞線張拉時(shí)，錨固端控制應(yīng)力沿著管壁向跨中逐漸減小，因而每一段的鋼絞線的伸長值也是不相同的［3］。

從張拉成果來看，沿環(huán)向應(yīng)力普遍規(guī)律是張拉槽的應(yīng)力最大，與它相鄰的窗口次之，與它直徑對(duì)應(yīng)另一端窗口的應(yīng)力最小。張拉槽最大張拉力為1 80.08 kN（5#），相鄰的窗口最大張拉力為1 09.49 kN（11#），張拉槽直徑所對(duì)應(yīng)的另一端窗口最大張拉力為760.20 kN（11#）。

3.2 第二序張拉成果

第二序張拉是在第一序張拉的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，且把1 500 kN張拉荷載的應(yīng)變作為零應(yīng)變初始值。第二序張拉應(yīng)力規(guī)律與第一序相同。張拉槽最大張拉力為1 223.53 kN（17#），相鄰的窗口最大張拉力為1 032.21 kN（14#），張拉槽直徑所對(duì)應(yīng)的另一端窗口最大張拉力為556.50 kN（8#）。

3.3 張拉全過程成果

鋼絞線在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，應(yīng)變與荷載關(guān)系基本呈線性變化，如圖4。

圖4 第14束鋼絞線荷載（預(yù)應(yīng)力）-應(yīng)變曲線Fig.4 The fourteenth steel-strand load（prestressing force）-strain curves

3.4 預(yù)應(yīng)力張拉錨固端及其它測(cè)點(diǎn)拉力損失分析

錨固端和其它測(cè)點(diǎn)在張拉全過程結(jié)束并鎖定5 min后，錨固端的應(yīng)力損失率最大值為35%，其它測(cè)點(diǎn)應(yīng)力損失率普遍較小，一般為0～1%，最大值為6%，影響不大，見表1。錨索錨固端在第一序張拉和第二序張拉應(yīng)力損失相當(dāng)。

3.5 相鄰錨索之間的影響

在所量測(cè)的5#，8#，11#，14#，17#，20#試驗(yàn)錨索中，對(duì)相鄰錨索的影響最大值不超過4 MPa，隔束影響更小，最大的不超過0.8 MPa。如圖5，在張拉14#錨索時(shí)，相鄰錨索11#和17#錨索應(yīng)力影響值分別為3.75 MPa和2.3 MPa。圖中縱坐標(biāo)為錨索應(yīng)力，橫坐標(biāo)為一節(jié)隧洞沿軸向長度坐標(biāo)（mm）及錨索編號(hào)。

表1 8#鋼絞線應(yīng)力總損失Table1 Total losses of the steel strand No.8 stress

圖5 第14束張拉窗口5相鄰段影響Fig.5 The effect on the ad jacent segment w indows when the fourteenth cable is tensioned

3.6 摩阻損失系數(shù)計(jì)算

根據(jù)公式（2）計(jì)算摩阻損失系數(shù)。在第一序張拉中，為了消除加載初期應(yīng)力不穩(wěn)定的影響，以1 500 kN的張拉荷載減去500 kN的張拉荷載所測(cè)鋼索應(yīng)力增值，作為摩阻損失系數(shù)計(jì)算應(yīng)力。在第二序張拉中，以2 500 kN的張拉荷載減去1 750 kN的張拉荷載所測(cè)鋼索應(yīng)力增值，作為摩阻損失系數(shù)計(jì)算應(yīng)力。以此參數(shù)計(jì)算得出一、二序摩阻損失系數(shù)μ平均值為0.27。在張拉端，應(yīng)力影響因素較多。為消除此影響，采用與張拉端相鄰的觀測(cè)窗所測(cè)應(yīng)力作為控制應(yīng)力σ0，以其他各個(gè)觀測(cè)窗所測(cè)應(yīng)力作為σ進(jìn)行摩阻損失系數(shù)計(jì)算。以此參數(shù)計(jì)算得一、二序摩阻損失系數(shù)μ平均值為0.23，見表2和表3。綜合各因素，錨索與管道間的摩阻系數(shù)μ可取0.25。

表2 第一序張拉鋼索與管道摩阻損失系數(shù)μTable2 The friction loss coefficientμbetween cable and pipeline when first order is tensioned

表3 第二序張拉鋼索與管道摩阻損失系數(shù)μTable3 The friction loss coefficientμbetween cable and pipeline when second order is tensioned

4 結(jié) 語

根據(jù)試驗(yàn)成果及分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）錨索在最大預(yù)應(yīng)力（2 500 kN）作用下，錨固端鋼絞線最大應(yīng)力為1 510.29 MPa，錨具鎖定后應(yīng)力為1 044.25 MPa，小于其抗拉強(qiáng)度的0.7倍（抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa），滿足其強(qiáng)度要求。

（2）鋼絞線在預(yù)應(yīng)力張拉過程中，應(yīng)力與荷載關(guān)系基本呈線性變化。

（3）張拉錨固端應(yīng)力總損失（包括錨具損失和錨索回縮損失）范圍在35%以內(nèi)。

（4）預(yù)應(yīng)力錨索張拉對(duì)相鄰錨索的影響小于4 MPa，隔束影響小于0.8 MPa。

（5）錨索與管道間的摩阻系數(shù)，以錨固端（張拉槽）張拉應(yīng)力作為控制應(yīng)力，μ＝0.27?？紤]到錨固端（張拉槽）影響因素較多，采用錨固端相鄰測(cè)位作為控制應(yīng)力，相應(yīng)μ＝0.23。綜合各因素錨索與道間的摩阻系數(shù)μ＝0.25，符合規(guī)范要求。

［1］ 付志遠(yuǎn)，張傳建，段國學(xué)，等.穿黃隧洞襯砌1∶1仿真試驗(yàn)研究實(shí)施報(bào)告［R］.武漢：長江水利委員會(huì)，2005.（FU Zhi-yuan，ZHANG Chuan-jian，DUAN Guoxue，et al.Implementation report on experimental study of tunnel through Yellow River simulation model for 1∶1［R］.Wuhan：ChangjiangWater Resources Commission，2005.（in Chinese））

［2］ 朱伯龍.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1992.（ZHU Bo-long.Design Principle for Concrete Structure［M］.Shanghai：Tongji University Press，1992.（in Chinese））

［3］ 張長海.預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.（ZHANG Chang-hai.Prestressed Anchorage Technology［M］.Beijing：ChinaWater Power Press，2001.（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Investigation on Stress-Strain of Prestressed Anchor Cable in Internal Lining of Tunnel of South-North W ater Transfer Project Through Yellow River

JIANG Xiao-lan1，WU Lang2，SUN Shao-wen1，ZHANG Xiao-wei1
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.No.6 Detachment of Armed Police Hydropower Engineering Troops，Hubei Yichang 443133，China）

A curvilinear anchor-cable prestressing device was set in a preformed groove，with which the circular anchor-cable was tensioned with a jack and was used for the inner lining of the tunnel of South-North Water Transfer Project through the Yellow River.Itwas the firstapplication in the shield-driven tunnel，and its structure is innovational.To verify the rationality and reliability of structural design，a scale 1∶1 simulationmodelwasmade at site.The law of strain，loss of stress，interaction among anchor beams and friction factor between anchor cable and corrugation pipe were all researched.The results showed as follows：The total loss of stress in the anchor-cable tensional end（including the loss of anchor and retraction loss of anchor-cable）is less than 35%；themaximum stress is 1 044.25 MPa after anchor locked；the effect of prestressed anchor-cable tension on adjacement ones is less；friction coefficient between the anchor-cable and pipelines is within the range of specification.

tunnel through the Yellow River；circular anchor prestress；anchor stress-strain；coefficient of friction

TV321

A

1001-5485（2010）04-0061-05

2009-07-03；

2010-01-23

國家十一五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2006BAB04A11）

姜小蘭（1964-），女，湖北鄂州人，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究工作，（電話）027-82829737（電子信箱）jiangxl668＠163.com。