盾構隧洞預應力雙層襯砌張拉施工及控制技術研究

收稿日期：2023-11-22；接受日期：2024-02-01

基金項目：國家自然科學基金項目（51991394）

作者簡介：謝" 強，男，高級工程師，主要從事水利工程施工管理工作。E-mail：413807246@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 06-0176-06

引用本文：謝強，陳昱弛，王彥東，等.

盾構隧洞預應力雙層襯砌張拉施工及控制技術研究

［J］.人民長江，2024，55（6）：176-181，187.

摘要：預應力張拉是盾構隧洞預應力雙層襯砌施工過程中的關鍵環節，良好的預應力張拉控制對于結構的整體使用壽命十分重要。基于珠江三角洲水資源配置工程某盾構隧洞，對預應力雙層襯砌張拉施工技術進行了總結，采用有限元數值模擬進行應力控制驗證，并鑒于現有實測數據缺陷提出了一種張拉鋼絞線伸長量計算方法。結果表明：智能張拉施工技術具有高精度、高穩定性的特點；張拉結束后預應力混凝土襯砌結構全環受壓，錨具槽為全環最不利位置，最大環向壓應力為14.0 MPa，未超過混凝土允許應力，結構整體受力安全；環錨鋼絞線實際計算伸長量與規范允許值誤差不超過6%，滿足工程需求。研究成果可豐富輸水隧洞預應力張拉施工及控制技術體系。

關" 鍵" 詞：輸水隧洞； 預應力襯砌； 預應力張拉控制； 數值模擬； 理論計算； 珠江三角洲

中圖法分類號： TV523

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.024

0" 引 言

盾構隧洞管片-預應力雙層襯砌結構目前在輸水隧洞工程中具有廣泛的應用前景，其原理是通過在單層管片襯砌基礎上再施作一層預應力內襯結構抵抗隧洞內部水壓，以此實現內外壓力平衡，維持結構的整體穩定［1］。預應力張拉是盾構隧洞管片-預應力雙層襯砌施工過程中的關鍵環節，良好的預應力張拉控制可以避免結構失穩，保證前期施工與后期運行的安全。

目前在輸水隧洞預應力張拉領域，已有學者開展了廣泛研究。亢景付等［2］對單束錨索作用下的圓筒形預應力結構內力計算方法進行分析，提出了錨索間距的疊加公式，并根據工程實際對錨索的作用范圍和內力變化規律進行了對比驗證，此外還提出了一種模擬水工壓力隧洞預應力的等效荷載法，通過現場實測數據驗證了有限元方法的正確性［3-4］；殷娟等［5］從張拉設備、施工技術流程以及施工技術要點等方面介紹了輸水隧洞工程預應力襯砌環錨錨索二次張拉施工實踐；曹瑞瑯等［6］依托引松供水工程原位加載試驗，明確了內水壓加載過程中襯砌的內力分布特征，揭示了預應力、鋼筋內力及錨固力的損失變化規律；薛廣文等［7］依托珠三角水資源配置工程，提出了優于常規預應力張拉錨具槽的預制裝配式免拆模板錨具槽，并采用有限元方法開展了受力分析驗證；Yang等［8-9］基于南水北調穿黃隧洞，探究了兩種新型預應力復合襯砌結構型式的應力分布和變形特征；Wang等［10］基于原型加載試驗，提出了后張無黏結預應力復合襯砌在內水壓作用下的內力解析解，并與現場試驗結果進行了驗證。預應力張拉控制方面，皮進等［11］基于引松供水工程無黏結環錨預應力襯砌現場原位試驗，提出了應力控制、張拉速度控制、穩定時間控制和實測伸長值控制的張拉指標，但該實測伸長值指標并未考慮張拉過程中的鋼絞線回縮量；張威等［12］對閘墩混凝土預應力張拉工藝控制進行了介紹，指出張拉細節控制、施工方法優化以及錨索測力計的數據糾偏等措施可以提高錨索功效；周建誠等［13］介紹了上海軌道交通17號線西延伸工程先張法預應力U型梁施工技術，并計算了張拉工藝下U型梁的預應力損失與張拉伸長值。除此之外，預應力張拉控制的研究更多地出現在橋梁結構領域［14-15］和部分地下工程領域［16-17］。

綜上，現階段關于輸水隧洞環錨預應力張拉控制的研究并不多見，更是缺乏與盾構隧洞環形預應力混凝土內襯兩次分級張拉甚至多次分級張拉相匹配的實際伸長值計算方法。基于此，本文以珠三角水資源配置工程某盾構輸水隧洞預應力混凝土雙層襯砌區間為依托，總結盾構隧洞環錨預應力內襯分級智能張拉技術；在此基礎上提出了張拉控制驗證方法，進一步提出一種應用于環形預應力襯砌兩次分級張拉的伸長值計算方法，并與現場實測數據進行對比驗證，以豐富輸水隧洞預應力張拉控制研究。

1" 工程概況

珠三角水資源配置工程某盾構輸水隧洞軸線長8 774.259 m。管片采用C55預制鋼筋混凝土，外徑8.3 m，內徑7.5 m，管片厚0.4 m，寬1.6 m，內襯采用C50預應力混凝土，厚0.55 m，襯砌施工完畢后內徑為6.4 m。預應力雙層襯砌結構如圖1所示。

單節預應力混凝土襯砌澆筑段長度為11.84 m，共有錨具槽23個，錨具槽中心距0.5 m，左右兩側45°交錯布置，錨具槽采用韌性纖維混凝土預制免拆模板，采用卡口方式組裝形成。現場通過張拉無黏結預應力鋼絞線對結構施加預應力，采用8根高強低松弛無黏結鍍鋅鋼絞線，直徑15.2 mm，雙層雙圈布置。鋼絞線抗拉強度標準值fptk=1 860 MPa，張拉控制應力σcon=0.75fptk。

2" 盾構隧洞預應力內襯張拉施工技術

當盾構隧洞預應力內襯混凝土強度達到100%立方體抗壓強度且養護時間不少于14 d時，方可進行預應力內襯張拉。張拉施工前，需做好場地、材料及技術3方面的準備工作，確保施工安全進行，準備工作主要包括：清場、技術方案整理交底、張拉機具設備檢測驗收及現場調試、張拉預調整等。

2.1" 張拉施工工藝流程

張拉開始前應檢查張拉準備工作，待設備滿足張拉條件后，對鋼絞線工作段進行PE皮剝除抽拉，抽拉達到標準長度，安裝防腐件、工作錨具、夾片及張拉機具，驗收確保錨具、限位板、偏轉器、延長筒、千斤頂、夾片等裝置安裝無偏差。完成錨具組建工作后開始張拉作業，待張拉至設計長度，拆除張拉機具、切割張拉端多余鋼絞線、安裝防腐密封件、錨具槽回填。預應力張拉施工工藝流程見圖2。

2.2" 智能張拉設備

有別于常規預應力張拉施工技術，該工程采用的鋼絞線預應力張拉設備為一體化智能張拉設備，此裝置兼備遠程控制、張拉監控、數據傳輸等功能，具有高精度、強適應性、高穩定性等特點。張拉施工前參照分級張拉要求，對千斤頂、油泵和分級控制進行參數設置，通過智能張拉設備控制千斤頂和油泵進行張拉，張拉過程中采用智能監管平臺進行數據實時傳輸與監控。自動化張拉設備系統如圖3所示。

2.3" 盾構隧洞預應力張拉順序

根據設計圖紙要求，盾構隧洞每束鋼絞線分兩次張拉到位，第一次張拉到50%σcon，第二次張拉到103%σcon。預應力張拉以單節預應力混凝土襯砌澆筑段為獨立施工單位進行，張拉順序見圖4。兩次張拉分為了4個張拉步：第一張拉步，1，3，…，21，23號錨具槽鋼絞線張拉至50%σcon，卸下工裝；第二張拉步，2，4，…，20，22號錨具槽鋼絞線張拉至50%σcon，卸下工裝；第三張拉步，1，3，…，21，23號錨具槽重新安裝工裝，鋼絞線張拉至103%σcon，卸下工裝；第四張拉步，2，4，…，20，22號錨具槽重新安裝工裝，鋼絞線張拉至103%σcon，卸下工裝，自此張拉結束。由于鋼絞線從工裝卸除到重新安裝進行第二次張拉的過程中會產生應力徐變，導致回縮，因此第二次張拉前應先對千斤頂加壓，將張拉力值升到第一次張拉完成穩壓后的狀態，再開始第二次張拉。在此過程中可以通過智能張拉設備記錄張拉力和鋼絞線伸長量。

該工程環錨張拉時需要8根鋼絞線同時張拉達到0.75fptk，千斤頂所需最大張拉力F=1 562.4 kN。為保證張拉安全，在張拉過程中應分為6級勻速加壓，首先應進行預張拉，采用8根鋼絞線整體張拉預緊，預張拉荷載為設計張拉力的15%，待偏轉器各接口緊密貼合后，再按分級張拉表（表1）進行整體智能張拉。張拉過程中每級荷載達到預定值后穩定5 min再進行下一級加載，最后一級張拉荷載穩定10 min；每級荷載施加后應測量鋼絞線的伸長值。錨具鎖定后應測量回縮量，實測回縮量不應大于5 mm。

3" 盾構隧洞預應力內襯張拉施工控制

預應力張拉過程中需要結合預應力張拉控制來判定施工效果，通常以張拉力控制為主、鋼絞線伸長量控制為輔。可依據千斤頂與油泵的回歸曲線關系，通過監控油泵的油壓值反算張拉力，或通過千斤頂的監控設備監測張拉力；張拉伸長量可通過千分尺或者位移計直接測量。該工程采用的自動化張拉設備系統可以對張拉過程中的鋼絞線張拉力與伸長量進行實時監測，如圖5所示，圖中序號分別對應兩次分級張拉施加的順序。

根據鋼絞線張拉實時監測曲線可知，隨著勻速分級張拉的進行，鋼絞線張拉力達到控制應力，對應鋼絞線伸長量近似線性增長，該伸長量是多級張拉之后的累計值，并不是鋼絞線實際伸長值，所以在第6級荷載步時，對應的伸長量超過了設計標準（280 mm），不能直接用于張拉伸長量控制驗證。并且僅通過監測鋼絞線張拉力并不能確保整體結構安全，還需結合張拉之后混凝土結構的應力狀態來判斷，當襯砌結構混凝土的應力強度滿足混凝土強度要求時，方可判定結構安全。

因此本節從混凝土結構應力出發，采用有限元數值模擬對張拉施工結束后混凝土的應力狀態進行安全驗證，并結合現場實時監測數據，給出一種與環形預應力混凝土內襯兩次分級張拉相匹配的實際伸長量計算方法，用于張拉鋼絞線伸長量控制驗證。

3.1" 盾構隧洞預應力內襯張拉應力控制

3.1.1" 數值分析模型

基于珠三角水資源配置工程某盾構隧洞預應力雙層襯砌結構，采用荷載結構法建立三維數值分析模型，如圖6所示，計算取一個標準段進行，模型縱向長度（Z向）為11.84 m，管片外徑為8.3 m，厚度為0.4 m，預應力混凝土內襯厚度為0.55 m，雙層襯砌內徑為 6.4 m。

管片與預應力混凝土內襯單元采用C3D8R實體，縱向、環向連接螺栓模擬采用點-面耦合式連接單元，管片與地層之間采用彈簧單元；管片襯砌之間法向相互作用采用硬接觸，切向相互作用采用基于罰函數的庫倫摩擦模型，摩擦系數取0.5［18］。地層以及結構參數按照工程實際參數取值，見表2。

本次計算主要考慮的施工階段荷載如下：圍巖壓力、外水壓、雙層襯砌結構自重以及鋼絞線預應力，其中圍巖壓力、外水壓、鋼絞線預應力均以表面荷載形式施加，鋼絞線預加應力以等效徑向應力形式施加到錨索作用面，各項荷載的計算參照SL 279-2016《水工隧洞設計規范》［19］與盾構隧洞區間地質勘察報告，如圖7所示。

3.1.2" 張拉應力控制

根據圖4所示的張拉順序對結構施加預應力，計算結束提取模型的應力結果進行分析，見圖8。

由圖8可知，鋼絞線張拉完畢后，預應力混凝土襯砌基本全環受壓，襯砌兩側錨具槽位置是應力集中的地方，行車道平臺處的應力值最小。因此，在預應力張拉階段，錨具槽是結構受力最不利部位，相對而言行車道是最穩定的位置。鋼絞線張拉完成后預應力混凝土襯砌結構在徑向大部分表現為受壓，而且越靠近結構內側，徑向壓應力越大，襯砌外側的徑向壓應力接近于零，結構外側部分位置的徑向應力甚至出現正值。

進一步提取出施工階段結構環向壓應力和徑向壓應力的最大值，其中環向最大壓應力為14.0 MPa，徑向最大壓應力為1.70 MPa。姚廣亮等［20］基于珠三角水資源配置工程，也采用數值模擬探究了盾構隧洞無黏結預應力混凝土內襯的受力情況，其中環向應力最大值為14.4 MPa，與本文計算結果基本一致，說明本次模擬數據有效。

根據SL 191-2008《水工混凝土結構設計規范》［21］，在預應力混凝土結構構件的施工階段，預拉區不允許出現裂縫的構件或預壓時全截面受壓的構件，在預加力、自重及施工荷載（必要時應考慮動力系數）作用下其截面邊緣的混凝土法向應力應符合下列規定：σct≤f′tk（1）

σcc≤0.8f′ck（2）

式中：σct、σcc分別為相應施工階段計算截面邊緣纖維的混凝土拉應力及壓應力；f′tk、f′ck分別為各施工階段混凝土立方體抗壓強度f′cu相應的軸心抗拉及抗壓強度標準值，該工程采用C50W12預應力混凝土，故f′tk=2.64 MPa，f′ck=32.4 MPa。

經計算，該工程的應力控制如下：（σc）max=14.0 MPa≤0.8×32.4=25.92 MPa。

因此，施工階段襯砌混凝土最大壓應力滿足規范強度要求。

3.2" 盾構隧洞預應力內襯張拉伸長量控制

3.2.1" 環錨預應力鋼絞線伸長值計算方法

根據圖4所示的預應力張拉施工順序，在每級張拉結束后測量鋼絞線的伸長值并記錄，如表3所列，其中第4-1級為第二次張拉前，對千斤頂加壓將張拉力值升到第一次張拉完成穩壓后的過程。預應力張拉分為兩次分級進行，最終的張拉伸長值應為兩次張拉的實際伸長值之和。第一次張拉過程中，第1級（0%～15%F）的伸長值為初應力下的伸長值，參照DL/T 5083-2019《水電水利工程預應力錨固施工規范》［22］要求，初應力下的測量伸長值用初應力理論伸長值代替，如式（3）所示：ΔL=ΔL1+ΔL2（3）

式中：ΔL為錨索實際伸長值，mm；ΔL1為從初應力至最終應力之間的實測伸長值，包括多級張拉、兩端張拉總伸長值，mm；ΔL2為初應力下的推算伸長值，mm。

在環錨預應力內襯單次張拉結束后，鋼絞線會產生錨固回縮，在計算過程中需要扣除張拉穩定后的鋼絞線回縮量，但由于第二次張拉開始前會再次對鋼絞線施加預應力，將整體狀態恢復至第一次張拉后穩壓完成時的狀態，因此可不必考慮第一次張拉結束后的錨固回縮，僅計算第二次張拉結束后的鋼絞線回縮量即可。此外，在圖5鋼絞線張拉實時監測曲線中，第二次對鋼絞線施加預應力（0%～50%F）時，鋼絞線產生的伸長量L4-1始終大于第一次張拉結束時的伸長量L3，受分級張拉施工工序的影響，施工過程中每束鋼絞線經歷了卸下工裝與重新安裝工裝兩道工序，導致系統實時監測伸長量出現誤差，在計算過程中需要扣除該部分誤差，不予考慮。

綜合以上因素，可得到鋼絞線的最終伸長量計算公式如下：L=L3－L1+ΔL+L6－L4－1－Y（4）

式中：Y為第二次張拉穩定后的錨固回縮值。為簡便計算，對于初應力下的伸長值計算也常用第二級伸長值與第三級伸長值的差值來替代。因此上式可寫為

L=L3－L1+L3－L2+L6－L4－1－Y（5）

3.2.2" 環錨預應力鋼絞線伸長值驗證

提取圖5所示的多級張拉鋼絞線累計伸長量，該伸長值只反映了單一錨具槽鋼絞線的拉伸情況。提取出單節預應力混凝土襯砌澆筑段對應的所有錨具槽鋼絞線的伸長值與公式（5）計算得到鋼絞線最終伸長值進行對比，如圖9所示。經計算，在一個預應力混凝土襯砌澆筑段內，鋼絞線實際伸長量最大值為293.22 mm，最小值為263.75 mm，與規范允許伸長值誤差不超過6%，滿足工程需求。

4" 結 論

本文依托珠三角水資源配置工程某盾構隧洞預應力混凝土雙層襯砌區間，介紹了輸水隧洞預應力內襯分級智能張拉施工技術，并通過有限元數值模擬與理論分析對其進行張拉驗證，主要得到如下結論：（1） 通過有限元分析，鋼絞線張拉完畢后，預應力混凝土襯砌全環受壓，錨具槽位置為全環受力最不利部位，行車道位置最為穩定，其中錨具槽環向最大壓應力為14.0 MPa，未超過結構允許應力，因此施工階段計算截面邊緣纖維的混凝土壓應力滿足結構強度要求。

（2） 基于現場實測累計鋼絞線伸長值，提出了一種實際張拉伸長量計算方法，并得知在一個預應力混凝土襯砌澆筑段，鋼絞線的實際伸長量最大值為293.22 m，最小值為263.75 mm，與規范允許伸長值誤差不超過6%，滿足工程需求。

參考文獻：［1］" 隨春娥.小浪底無粘結環錨預應力混凝土襯砌結構應力狀態及安全評價分析［D］.天津：天津大學，2014.

［2］" 亢景付，胡玉明.圓筒形預應力結構錨索間距的確定方法［J］.工程力學，2003（5）：121-123，133.

［3］" 亢景付，梁躍華，張沁成.環錨預應力混凝土襯砌三維有限元計算分析［J］.天津大學學報，2006（8）：968-972.

［4］" 亢景付，崔詩慧.基于觀測數據的環錨預應力混凝土襯砌預應力效果分析［J］.水力發電學報，2013，32（1）：237-241，247.

［5］" 殷娟，曹生榮，秦敢，等.輸水隧洞預應力襯砌環錨錨索二次張拉施工技術［J］.水電能源科學，2015，33（7）：121-124.

［6］" 曹瑞瑯，王玉杰，汪小剛，等.無黏結預應力環錨襯砌力學特性原位加載試驗研究［J］.巖土工程學報，2019，41（8）：1522-1529.

［7］" 薛廣文，曹國魯，蔡俊倫，等.輸水隧洞預應力混凝土襯砌錨具槽優化設計分析［J］.人民長江，2023，54（10）：157-162.

［8］" YANG F，CAO S，QIN G.Performance of the prestressed composite lining of a tunnel：case study of the yellow river crossing tunnel［J］.International Journal of Civil Engineering，2018，16（2）：229-41.

［9］" YANG F，CAO S R，QIN G.Mechanical behavior of two kinds of prestressed composite linings：a case study of the Yellow River crossing tunnel in China［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2018，79：96-109.

［10］WANG Y，CAO R，PI J，et al.Mechanical properties and analytic solutions of prestressed linings with un-bonded annular anchors under internal water loading［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2020，97：103244.

［11］皮進，王玉杰，齊文彪，等.無黏結環錨預應力混凝土襯砌張拉工藝研究［J］.水利水電技術（中英文），2018，49（7）：81-87.

［12］張威，余志強.閘墩預應力錨索張拉工藝控制淺析［J］.水利水電技術（中英文），2022，53（增1）：151-154.

［13］周建誠，張德鋒，陸峰.上海軌道交通17號線西延伸工程先張法U型梁預應力張拉與錨下應力測試［J］.建筑結構，2023，53（增1）：1765-1770.

［14］林南昌，丁兆峰，陳舜東，等.甌江特大橋懸澆施工過程斜拉索索力張拉控制技術［J］.鐵道建筑，2019，59（4）：44-47.

［15］王建強，呂忠達，趙卓，等.預應力混凝土連續箱梁頂板早期裂縫控制研究［J］.鐵道工程學報，2019，36（9）：43-48.

［16］熊學玉，沈昕，汪繼恕.超長混凝土地下室墻體中預應力作用計算與分析［J］.建筑結構，2016，46（23）：85-90.

［17］劉新榮，劉永權，康景文，等.基坑錨索預應力損失規律及分步張拉控制措施研究［J］.巖土工程學報，2015，37（10）：1794-1801.

［18］BRITISH STANDARDS INSTITUTION.Code of practice for temporary works procedures and the permissible stress design of 1work：BS 5975-2019［S］.London：British Standards Institution，2019.

［19］中華人民共和國水利部.水工隧洞設計規范：SL 279-2016［S］.北京：中國水利水電出版社，2016.

［20］姚廣亮，陳震，嚴振瑞，等.高內水壓盾構隧洞預應力混凝土內襯結構受力分析［J］.人民長江，2020，51（6）：148-153.

［21］中華人民共和國水利部.水工混凝土結構設計規范：SL 191-2008［S］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［22］國家能源局.水電水利工程預應力錨固施工規范：DL/T 5083-2019［S］.北京：中國電力出版社，2019.

（編輯：胡旭東）

Study on tension construction and control technology of prestressed double-layer lining of shield tunnels

XIE Qiang1，2，CHEN Yuchi1，2，WANG Yandong1，2，CHEN Xuan1，2，LIU Chang3

（1.SINOHYDRO BUREAU 7 Co.，Ltd.，Chengdu 610000，China;

2.Chengdu Hydroelectricity Construction Engineering Co.，Ltd.，Sinohydro Bureau No.7 Company，Chengdu 611100，China;

3.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610081，China）

Abstract：

Prestressed tension is a key link in the construction process of prestressed double-layer lining of water conveyance shield tunnels，precise prestressed tension control is very important for the overall service life of the structure.Based on a shield tunnel in the Pearl River Delta water resources allocation project，the tension construction technology of prestressed double-layer lining was summarized.The finite element numerical simulation was used to verify the stress control.In view of the defects of the existing measured data，a method for calculating the elongation of tensioned steel strand was proposed.The results showed that the intelligent tensioning construction technology had the characteristics of high precision and high stability.After the tension，the whole ring of the prestressed concrete lining structure was compressed，and the anchorage groove was the most unfavorable position of the whole ring.The maximum circumferential compressive stress was 14.0 MPa，which did not exceed the allowable stress of concrete，and the whole structure was safe.The error between the actual calculated elongation of the ring anchor steel strand and the allowable value of the specification did not exceed 6%，which met the engineering requirements.The research results enrich the prestressed tension and control technology system.

Key words：

water conveyance tunnel; prestressed tension lining; prestressed tension controlling; numerical simulation; theoretical calculation; Pearl River Delta