大斷面盾構(gòu)輸水隧洞結(jié)構(gòu)受力特征與選型研究

吳 正 橋，張 雨 霆，黃 書(shū) 嶺，丁 秀 麗，辛 鳳 茂

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

0 引 言

隧洞輸水是水利樞紐、水電站、引調(diào)水和城區(qū)供水工程中最為常用的一種輸水型式。除了在圍巖自穩(wěn)能力好且基本不透水的地層中可采用不襯砌隧洞輸水，其他所有巖土地層中的隧洞一般均設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)以封閉圍巖、減小糙率[1]。當(dāng)隧洞所在地層巖土體透水且存在地下水活動(dòng)時(shí)，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)不僅在施工期承擔(dān)外水荷載，而且在運(yùn)行期還將受到外水荷載[2]和內(nèi)水荷載[3]共同作用。上述特點(diǎn)是輸水隧洞與公路隧道、鐵路隧道[4-5]、城市地鐵[6]及地下管廊[7]等隧道結(jié)構(gòu)的一個(gè)顯著區(qū)別，這就要求隧洞襯砌的設(shè)計(jì)型式應(yīng)兼顧內(nèi)水荷載[8]的影響和內(nèi)水防滲[9]的需求，需要開(kāi)展內(nèi)外水共同作用下襯砌結(jié)構(gòu)受力特征和結(jié)構(gòu)安全的專題論證分析。

本文以南水北調(diào)東線二期工程穿黃河大斷面盾構(gòu)輸水隧洞為研究對(duì)象，首先搜集分析了已建盾構(gòu)輸水隧洞經(jīng)常采用的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式，并對(duì)每種型式的結(jié)構(gòu)受力特征和主要特點(diǎn)進(jìn)行了歸納分析。進(jìn)而結(jié)合穿黃工程的地質(zhì)條件和輸水規(guī)模，提出了基于不同設(shè)計(jì)理念的大斷面盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)比選方案。采用三維精細(xì)數(shù)值仿真方法，對(duì)內(nèi)外荷載共同作用下的襯砌結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)盾構(gòu)管片和螺栓等結(jié)構(gòu)的接觸界面受力和變形特性開(kāi)展研究。依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，并結(jié)合其他影響因素建議了盾構(gòu)輸水隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 已建盾構(gòu)輸水隧洞的常用襯砌結(jié)構(gòu)型式

綜合分析國(guó)內(nèi)外已建盾構(gòu)輸水隧洞工程，襯砌結(jié)構(gòu)一般可分為單層襯砌結(jié)構(gòu)和雙層襯砌結(jié)構(gòu)兩種基本型式。

1.1 單層襯砌結(jié)構(gòu)案例分析

表1給出了采用單層襯砌結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)輸水隧洞工程案例，此類襯砌型式的特點(diǎn)包括：① 管片的防滲性能要求較高。在運(yùn)行期承載內(nèi)水荷載的條件下，管片總體上呈現(xiàn)出受拉的趨勢(shì)，管片連接部位是受力條件相對(duì)不利的位置，成為結(jié)構(gòu)安全的薄弱環(huán)節(jié)。因此，管片環(huán)向和縱向接縫的防滲處理是設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。例如在上海青草沙過(guò)江管隧道工程中，為增強(qiáng)管片防滲能力，在管片的接縫區(qū)域設(shè)置了雙重彈性橡膠密封墊，管片的接縫處采用了聚氨酯膠嵌縫。② 管片連接結(jié)構(gòu)的可靠性要求高。在內(nèi)水作用下，連接管片的螺栓及其嵌固結(jié)構(gòu)承擔(dān)的環(huán)向拉力較大，一般采用直螺栓連接，且螺栓孔使用特制鑄鐵材料以增強(qiáng)承載能力。③ 管片內(nèi)表面需做降糙處理。管片設(shè)有螺栓手孔、注漿孔等孔洞，需要進(jìn)行封堵以降低過(guò)流的糙率，保障工程的輸水能力。上述特點(diǎn)決定了單層管片型式多用于隧洞內(nèi)外水壓差較小的情形。

表1 單層襯砌盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)型式工程案例

1.2 雙層襯砌結(jié)構(gòu)案例分析

表2整理了采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)輸水隧洞工程案例。此類襯砌型式具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：① 不同工程的外層管片設(shè)計(jì)參數(shù)相對(duì)接近，一般為每環(huán)6～7片，管片標(biāo)號(hào)為C50～C55，管片厚度為0.3～0.4 m。② 不同工程的內(nèi)層襯砌結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)以及運(yùn)行期隧洞承載方式，與內(nèi)水荷載的大小密切相關(guān)，即：當(dāng)內(nèi)水荷載量值較大時(shí)，內(nèi)襯一般用鋼板或者預(yù)應(yīng)力襯砌，且內(nèi)外層襯砌采用分離式設(shè)計(jì)，使運(yùn)行期的內(nèi)水荷載僅由內(nèi)層襯砌承擔(dān)；當(dāng)內(nèi)水荷載量值較小時(shí)，內(nèi)層襯砌多采用現(xiàn)澆普通混凝土襯砌，且內(nèi)外層襯砌密實(shí)充填，能夠充分傳遞荷載，使得內(nèi)外層襯砌結(jié)構(gòu)能夠共同承擔(dān)運(yùn)行期內(nèi)水荷載。③ 內(nèi)層襯砌采用鋼襯時(shí)，一般采用Q235C鋼材，厚度2 cm，并可增設(shè)加勁環(huán)以增強(qiáng)鋼板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；內(nèi)層襯砌采用混凝土襯砌時(shí)，一般澆筑C30～C40的混凝土，并在內(nèi)壓較大時(shí)通過(guò)錨索施加預(yù)應(yīng)力以平衡內(nèi)水荷載引起的拉應(yīng)力。④ 當(dāng)內(nèi)層襯砌獨(dú)立承擔(dān)外水荷載時(shí)，在內(nèi)外層襯砌之間一般同時(shí)設(shè)置彈性墊層和排水層來(lái)實(shí)現(xiàn)分離式受力和外層管片的排水，從而避免內(nèi)外層襯砌之間的荷載傳遞，以及外水通過(guò)管片接縫部位入滲后對(duì)內(nèi)層襯砌形成的荷載作用。

表2 雙層襯砌盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)型式工程案例

可見(jiàn)，相比于單層襯砌結(jié)構(gòu)，雙層襯砌結(jié)構(gòu)新增了內(nèi)外層襯砌的荷載傳遞方式、內(nèi)層襯砌的選材、內(nèi)外層襯砌之間的連接形式和充填材料等多個(gè)設(shè)計(jì)要素。通過(guò)對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性研究和專門設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧洞襯砌設(shè)計(jì)方案的靈活調(diào)整，提高襯砌結(jié)構(gòu)承載特性與工程實(shí)際的匹配度。因此，雙層襯砌結(jié)構(gòu)方案的適應(yīng)性更強(qiáng)，可應(yīng)用于斷面大、內(nèi)水荷載較高的隧洞工程。

2 大斷面盾構(gòu)輸水隧洞設(shè)計(jì)方案分析

2.1 工程概況

南水北調(diào)東線二期穿黃河工程是從東平湖到黃河以北的輸水干渠，也是南水北調(diào)東線二期工程的關(guān)鍵控制性項(xiàng)目。穿黃隧洞為單線有壓輸水隧洞，隧洞平面布置為直線。河床平洞段地面的地形平坦，地貌類型單一，主要土層較為連續(xù)，夾層較多，地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

2.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及主要特點(diǎn)分析

根據(jù)輸水需求，穿黃河隧洞的過(guò)流內(nèi)徑為10.5 m，考慮一定的襯砌厚度后，開(kāi)挖斷面積超過(guò)100 m2，屬于超大斷面隧洞。運(yùn)行期內(nèi)水荷載約為0.45 MPa。對(duì)比表1和表2的已建輸水盾構(gòu)工程案例(見(jiàn)圖1)，可知該工程隧洞的開(kāi)挖斷面尺寸最大，內(nèi)水荷載量值處于采用混凝土作為襯砌材料工程(西江引水隧洞和珠三角水資源配置工程輸水隧洞采用鋼襯)的中等水平。參考與該工程具有相似地層條件、隧洞規(guī)模和荷載水平的已建工程案例的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，擬定單層管片襯砌方案、管片內(nèi)襯鋼筋混凝土方案和管片內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方案，共3種盾構(gòu)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，詳見(jiàn)圖2。其中，方案一的每環(huán)管片內(nèi)采用直螺栓連接(見(jiàn)圖3(a))，環(huán)與環(huán)間管片采用斜螺栓連接(見(jiàn)圖3(b))；方案二和方案三的每環(huán)管片內(nèi)和環(huán)與環(huán)間的管片均采用斜螺栓連接，且方案三在內(nèi)外層襯砌之間設(shè)置了10 cm厚的柔性墊層，并在內(nèi)層混凝土澆筑完成后，通過(guò)錨索張拉使襯砌承擔(dān)一定水平的初始?jí)簯?yīng)力。

圖1 本工程和已建工程在荷載和尺寸上的對(duì)比

圖2 盾構(gòu)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案(單位：m)

圖3 管片連接螺栓(尺寸單位：mm)

這3種襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有以下基本特點(diǎn)：

(1)從襯砌承載方式看，方案一為單層襯砌承載；方案二為內(nèi)外層襯砌共同承擔(dān)內(nèi)水荷載；方案三為內(nèi)層襯砌獨(dú)立承擔(dān)內(nèi)水荷載。

(2)從每環(huán)管片數(shù)量看，方案一為“7大+1小”的8管片格局；方案二和方案三均為“9大+1小”的10管片格局。可見(jiàn)，方案二和方案三的整體性雖然弱于方案一，但由于管片的接頭段變形比完整管片段更為顯著，使得方案二和方案三的適應(yīng)地層變形能力更強(qiáng)。

(3)從管片連接螺栓的類型看，僅方案一管片在環(huán)向上采用了直螺栓、縱向管片連接，方案二和方案三的連接螺栓均采用了斜螺栓。不同類型的螺栓會(huì)影響管片接頭張開(kāi)度和螺栓受力。

3 不同襯砌結(jié)構(gòu)型式的三維精細(xì)數(shù)值仿真

采用三維數(shù)值仿真方法開(kāi)展了不同襯砌結(jié)構(gòu)型式的受力特征分析。通過(guò)對(duì)比襯砌受力、管片變形和結(jié)構(gòu)配筋等指標(biāo)，研究襯砌結(jié)構(gòu)的受力特征以及承載特性，尤其是雙層襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)外層襯砌承載相互關(guān)系，為襯砌結(jié)構(gòu)比選提供依據(jù)。

3.1 初始計(jì)算條件

3.1.1計(jì)算斷面

根據(jù)穿黃工程盾構(gòu)隧洞縱剖面，確定河床斷面和河灘斷面作為典型計(jì)算斷面，分別作為內(nèi)壓控制工況(運(yùn)行期)和外壓控制工況(施工期)的計(jì)算斷面。其中，河床斷面上覆土體厚度最小，河灘斷面上覆土體厚度最大，可分別獲得最小和最大的圍土荷載，與兩斷面的分析工況特點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

3.1.2基本方法與計(jì)算模型

采用考慮土體與襯砌結(jié)構(gòu)相互作用的地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4為計(jì)算分析網(wǎng)格，覆蓋范圍為120 m×108 m(長(zhǎng)×高)。在順?biāo)鞣较蛏希鞣桨傅挠?jì)算模型均包含4層管片。對(duì)于方案一(見(jiàn)圖5(a))，單榀管片厚1.5 m，模型總寬6 m，共剖分118 800個(gè)單元和127 176 個(gè)節(jié)點(diǎn)；對(duì)于方案二、方案三(見(jiàn)圖5(b))，單榀管片厚2.0 m，模型總寬8 m，共剖分98 560個(gè)單元和1 121 43個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 計(jì)算分析網(wǎng)格

圖5 盾構(gòu)隧洞的襯砌管片單元

3.1.3接觸面仿真

襯砌管片與澆筑混凝土的顯著差異在于前者采用“場(chǎng)外預(yù)制-現(xiàn)場(chǎng)拼接”的方法安裝，因此每榀管片內(nèi)和榀與榀管片之間均存在管片-管片接觸面和管片-螺栓接觸面，這一結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了襯砌管片具有獨(dú)特的受力特點(diǎn)，應(yīng)在計(jì)算分析時(shí)考慮。

因此，針對(duì)方案一的單管片襯砌結(jié)構(gòu)方案，分別設(shè)置每榀管片之間的環(huán)間接觸面，以及每榀管片內(nèi)的環(huán)向接觸面來(lái)考慮襯砌管片之間的混凝土材料接觸；針對(duì)方案二和方案三，在方案一設(shè)置環(huán)間和環(huán)向接觸面的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)置內(nèi)層澆筑混凝土和外層襯砌管片的接觸面，用來(lái)考慮預(yù)制管片和現(xiàn)澆混凝土材料的接觸。

另外，考慮到襯砌管片通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)固定和連接，根據(jù)設(shè)計(jì)方案中確定的每個(gè)螺栓實(shí)際位置模擬螺栓，分為直螺栓和斜螺栓，并同樣設(shè)置接觸面考慮管片與螺栓的接觸。

3.1.4預(yù)應(yīng)力襯砌仿真

根據(jù)方案三，采用鋼絞線對(duì)澆筑完成的混凝土襯砌施加一定水平的預(yù)應(yīng)力以抵抗運(yùn)行期內(nèi)水荷載引起的襯砌拉應(yīng)力。計(jì)算模型中考慮了鋼絞線措施，并通過(guò)初始張拉，使內(nèi)層澆筑混凝土襯砌產(chǎn)生約6 MPa的環(huán)向壓應(yīng)力。

3.1.5初始地應(yīng)力

包括豎直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力兩部分。其中，豎向應(yīng)力根據(jù)式(1)計(jì)算上覆巖土體的自重得到。

σz=∑γiHi

(1)

水平向應(yīng)力以鉛直向應(yīng)力乘以土層的側(cè)壓力系數(shù)K0計(jì)算得到。因計(jì)算斷面內(nèi)隧洞高程范圍的地層為砂土，故結(jié)合南水北調(diào)中線工程盾構(gòu)分析經(jīng)驗(yàn)[19]，以及《工程地質(zhì)手冊(cè)》對(duì)砂土地層建議取值[25]，取K0為0.4和0.5兩種方案。

3.1.6本構(gòu)模型

土體地層采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，管片襯砌和澆筑混凝土均采用線彈性模量。接觸面在法向和切向均采用設(shè)置了拉伸限制的莫爾-庫(kù)倫模型，并可實(shí)現(xiàn)接觸面的錯(cuò)動(dòng)和張開(kāi)。

3.1.7力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)地質(zhì)資料，并結(jié)合隧洞埋深、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)和工程地質(zhì)手冊(cè)建議的力學(xué)參數(shù)，綜合確定隧洞所在地層及上覆地層的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表3。另外，連接管片的螺栓規(guī)格考慮為M40，強(qiáng)度等級(jí)為8.8級(jí)，即其抗拉強(qiáng)度極限為800 MPa，屈服極限為640 MPa。

表3 土體力學(xué)參數(shù)取值

3.2 計(jì)算工況與荷載效應(yīng)

表4給出了盾構(gòu)隧洞結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算工況與每種工況所考慮的荷載。其中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案三的錨索張拉力僅在運(yùn)行期考慮。

表4 計(jì)算工況與荷載效應(yīng)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

以襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二在側(cè)壓力系數(shù)為0.5時(shí)的計(jì)算結(jié)果為代表性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重點(diǎn)論述。對(duì)不同襯砌設(shè)計(jì)方案和側(cè)壓力系數(shù)條件下的計(jì)算結(jié)果列表對(duì)比分析。

3.3.1施工期

圖6為外層管片主應(yīng)力(規(guī)定拉正壓負(fù))分布。其中，壓應(yīng)力在24.0 MPa以內(nèi)，應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)楣绊敽偷装宓墓芷饩?、兩?cè)邊墻的管片內(nèi)緣；拉應(yīng)力在1.21 MPa以內(nèi)，應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)楣绊敽偷装宓墓芷瑑?nèi)緣。襯砌管片的主應(yīng)力分布符合鉛直向應(yīng)力大于水平向應(yīng)力的初始應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)。

圖6 施工期襯砌管片主應(yīng)力(方案二)(單位：MPa)

圖7為外層襯砌管片的張開(kāi)變形分布。其中，灰色區(qū)域表示管片接縫部位未張開(kāi)?？梢?jiàn)，每榀管片之間的接觸面總體為灰色，表示環(huán)間管片接縫基本沒(méi)有張開(kāi)。每榀管片內(nèi)的環(huán)向管片接縫在局部發(fā)生了張開(kāi)變形。具體而言，拱頂內(nèi)緣的管片接縫張開(kāi)量值最大，為1.12 mm，底板內(nèi)緣的管片接縫張開(kāi)量值為0.63 mm，兩側(cè)邊墻外緣的管片接縫張開(kāi)幅度在0.1 mm以內(nèi)。就張開(kāi)深度來(lái)看，在每榀管片內(nèi)，頂拱部位張開(kāi)深度為40 cm，底板為37 cm，邊墻為15 cm。根據(jù)接縫的張開(kāi)量和張開(kāi)深度，可算得環(huán)向管片-管片接縫的最大張開(kāi)角度為0.16°，發(fā)生在頂拱內(nèi)緣。

圖7 管片接頭張開(kāi)度(方案二)

圖8為外層管片螺栓受力分布。其中，每榀內(nèi)的環(huán)向螺栓受力分布在-71～14 kN(拉正壓負(fù))，即-69～13 MPa。每榀間的環(huán)間螺栓受力分布在-28～0.5 kN，即-28～5 MPa。螺栓受拉較顯著區(qū)域?yàn)轫敼昂偷装骞芷宇^部位。從螺栓受力和管片接縫變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看(見(jiàn)圖9)，螺栓受力與管片接頭的變形趨勢(shì)一致，即管片接縫處于張開(kāi)的區(qū)域，螺栓也呈現(xiàn)受拉狀態(tài)，表明管片-管片接觸和管片-螺栓接觸處于協(xié)調(diào)狀態(tài)。

圖8 施工期管片螺栓受力(方案二)(單位：kN)

圖9 螺栓受力與接頭變形的關(guān)系(方案二)

圖10為施工期外層管片的軸力、彎矩和剪力。其中，管片軸力(壓正拉負(fù))分布在-7 448～-5 471 kN，管片彎矩(向內(nèi)彎為正，外向彎為負(fù))分布在-853～769 kN·m，剪力分布在75.4～1 533 kN。根據(jù)襯砌內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋，發(fā)現(xiàn)采用構(gòu)造配筋即可滿足結(jié)果安全。可見(jiàn)，管片的軸力分布特點(diǎn)為隧洞兩側(cè)較大、頂拱和底板較??；彎矩分布特點(diǎn)為兩側(cè)向洞外彎、頂拱和底板向洞內(nèi)彎。上述分布規(guī)律與鉛直向應(yīng)力大、水平向應(yīng)力小的初始地應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)有關(guān)。管片剪力較大的區(qū)域均是管片接縫區(qū)域，表明剪力除受初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布影響外，還與管片接縫的具體位置有關(guān)，這一特點(diǎn)表明襯砌管片受力具有非連續(xù)性，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮管片接頭的傳剪性能。

圖10 管片襯砌的內(nèi)力(方案二)

表5匯總了施工期工況條件下，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在不同水平向側(cè)壓力系數(shù)條件下的計(jì)算結(jié)果。可見(jiàn)，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)K0取0.4時(shí)，襯砌的管片壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、螺栓應(yīng)力和管片接縫變形均有所增大。相比于方案二，方案一的管片拉應(yīng)力和螺栓應(yīng)力均出現(xiàn)增加，但管片接縫變形水平有所減小，表明方案一所采用的直螺栓對(duì)管片接縫變形的限制能力更強(qiáng)，但同時(shí)也增大了螺栓受力。

表5 施工期外層管片襯砌的計(jì)算結(jié)果匯總

因方案三和方案二的外層管片襯砌方案基本相同，僅是方案三的管片外徑比方案二稍大，所以方案三的主要計(jì)算指標(biāo)與方案二相比，規(guī)律相同，量值稍有增加。

綜合施工期計(jì)算結(jié)果，從管片應(yīng)力、管片結(jié)構(gòu)變形、螺栓受力和管片內(nèi)力及配筋分析，認(rèn)為3種襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在施工期工況均滿足要求。

3.3.2運(yùn)行期

圖11給出了外層和內(nèi)層襯砌的拉應(yīng)力分布。在運(yùn)行期施加內(nèi)水荷載條件下，外層襯砌的拉應(yīng)力最大值增至3.67 MPa，拉應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)楣绊敽偷装宓墓芷瑑?nèi)緣、兩側(cè)邊墻的管片外緣。內(nèi)層澆筑混凝土襯砌的拉應(yīng)力在2.85 MPa以內(nèi)，拉應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)楣绊斉c管片接頭相鄰部位，以及兩側(cè)邊墻的中下部。圖11(b)中外層未標(biāo)識(shí)顏色的區(qū)域?yàn)榕c圖11(a)對(duì)應(yīng)的外層管片輪廓。可見(jiàn)，在內(nèi)層襯砌與外層管片緊密接觸條件下，內(nèi)層混凝土拉應(yīng)力量值較大的部位與外層管片接縫的位置密切相關(guān)。

圖11 運(yùn)行期外層和內(nèi)層襯砌的拉應(yīng)力(方案二)(單位：MPa)

圖12為內(nèi)層混凝土的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。其中，軸力分布在626～1 382 kN，彎矩分布在-29.6～19.6 kN·m，剪力分布在2.1～70.8 kN?？梢?jiàn)，內(nèi)層襯砌的內(nèi)力一般在與外層管片接縫相鄰的區(qū)域發(fā)生顯著變化。

圖12 運(yùn)行期內(nèi)層混凝土的內(nèi)力(方案二)

表6匯總了運(yùn)行期工況條件下，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在不同水平向側(cè)壓力系數(shù)條件下的管片襯砌結(jié)果?？梢?jiàn)，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)取0.4時(shí)，運(yùn)行期的外層管片應(yīng)力、螺栓受力和管片內(nèi)力及配筋量均有所增加。其中，對(duì)于方案一，當(dāng)K0取0.4時(shí)，管片最大拉應(yīng)力可達(dá)8.62 MPa，且管片配筋量較大。

表6 運(yùn)行期管片襯砌的計(jì)算結(jié)果匯總

對(duì)于方案三，由于管片外襯和預(yù)應(yīng)力內(nèi)襯之間設(shè)有的柔性墊層不傳遞荷載，故外層管片不受運(yùn)行期內(nèi)水荷載作用，因此方案三的管片受力由施工期計(jì)算結(jié)果控制。

表7匯總了運(yùn)行期內(nèi)層混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果?？梢?jiàn)，只要進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)配筋，方案二的內(nèi)層混凝土可以滿足結(jié)構(gòu)安全要求。相比而言，方案三因采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，在承擔(dān)內(nèi)水荷載后，混凝土仍不出現(xiàn)拉應(yīng)力，整體應(yīng)力水平也較小，可以滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

表7 運(yùn)行期內(nèi)層混凝土的計(jì)算結(jié)果匯總

4 盾構(gòu)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的選型決策

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的主要特點(diǎn)如下：

(1)方案一為單層管片襯砌。該方案優(yōu)點(diǎn)是單層管片的結(jié)構(gòu)型式相對(duì)簡(jiǎn)單，且管片外徑小，能夠縮減開(kāi)挖規(guī)模。主要問(wèn)題是運(yùn)行期單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力荷載，使得管片拉應(yīng)力量值較大，且結(jié)構(gòu)配筋量較大。

(2)方案二為外層管片-內(nèi)層澆筑混凝土，且內(nèi)外層襯砌緊密連接，共同承載。該方案的優(yōu)點(diǎn)是外襯管片和內(nèi)襯混凝土聯(lián)合承擔(dān)內(nèi)水壓力，可減小外襯管片的拉應(yīng)力量值和配筋量。主要問(wèn)題是運(yùn)行期外襯管片局部區(qū)域的拉應(yīng)力值稍大，內(nèi)襯混凝土處于全斷面受拉狀態(tài)，但進(jìn)行充分的結(jié)構(gòu)配筋等措施后，可滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

(3)方案三也是外層管片-內(nèi)層澆筑混凝土，與方案二的區(qū)別在于內(nèi)外層襯砌之間設(shè)置了柔性典型，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層襯砌獨(dú)立承載，且內(nèi)層襯砌設(shè)置錨索預(yù)應(yīng)力張拉以抵抗內(nèi)水荷載效應(yīng)。該方案的主要特點(diǎn)在于外襯管片和內(nèi)襯混凝土獨(dú)立承載，內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力混凝土在承擔(dān)內(nèi)水壓力后仍處于受壓狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)受力角度分析，方案三不存在明顯問(wèn)題，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)總體優(yōu)于方案二。

綜合每個(gè)設(shè)計(jì)方案的主要特點(diǎn)和存在問(wèn)題，認(rèn)為方案一在內(nèi)水荷載作用下的管片拉應(yīng)力較大，由此存在潛在的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，不建議采用。

從結(jié)構(gòu)安全的角度判斷，方案二和方案三均可成立，但考慮到隧洞盾構(gòu)在施工期和運(yùn)行期還受到多項(xiàng)因素制約，包括施工保證率、結(jié)構(gòu)耐久性和服役可靠性等限制條件。借鑒類似已建工程的經(jīng)驗(yàn)[26-27]，初步?jīng)Q定采用方案二作為盾構(gòu)隧洞的基本結(jié)構(gòu)型式，后續(xù)再根據(jù)邊界條件的變化，對(duì)內(nèi)外層襯砌厚度和過(guò)流內(nèi)徑等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化。

5 結(jié) 論

本文以南水北調(diào)東線二期工程穿黃河大斷面盾構(gòu)輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為研究?jī)?nèi)容，采用工程類比分析和三維數(shù)值精細(xì)仿真為主要手段開(kāi)展研究工作，主要結(jié)論如下：

(1)已建盾構(gòu)輸水隧洞的常用襯砌結(jié)構(gòu)型式的案例分析表明，襯砌結(jié)構(gòu)可分為單層襯砌結(jié)構(gòu)和雙層襯砌結(jié)構(gòu)兩種基本型式。其中單層管片型式多用于隧洞內(nèi)外水壓差值較小的情形；雙層襯砌結(jié)構(gòu)方案的適應(yīng)性更強(qiáng)，可應(yīng)用于斷面大、內(nèi)水荷載較高的隧洞工程。

(2)南水北調(diào)東線二期工程穿黃河工程的隧洞開(kāi)挖斷面尺寸大，內(nèi)水荷載量值處于采用混凝土作為襯砌材料工程的中等水平。可擬定單層管片襯砌方案、管片內(nèi)襯鋼筋混凝土方案和管片內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方案，共3種盾構(gòu)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

(3)基于三維數(shù)值仿真的襯砌結(jié)構(gòu)受力特征分析表明，單層管片襯砌方案在運(yùn)行期單獨(dú)承擔(dān)內(nèi)水壓力荷載，使得管片拉應(yīng)力量值較大，存在潛在的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，不建議采用。管片內(nèi)襯鋼筋混凝土方案和管片內(nèi)襯預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方案從結(jié)構(gòu)安全的角度判斷均可成立，但考慮到隧洞盾構(gòu)在施工期和運(yùn)行期還受到多項(xiàng)因素制約，借鑒類似已建工程的經(jīng)驗(yàn)，決定采用鋼筋混凝土內(nèi)襯方案作為盾構(gòu)隧洞的基本結(jié)構(gòu)型式。