不同埋深下盾構輸水隧洞預應力雙層襯砌模型試驗

中圖法分類號：TV672 文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.06.021

0 引言

近年來，中國圍繞水資源空間均衡，以江河干流及重要湖泊為基礎，建設了大量輸水隧洞以完善區域水資源配置。盾構法因掘進效率高、擾動小，被廣泛應用于地下輸水隧洞工程的建設，如南水北調中線穿黃隧洞[1]，青草沙輸水隧洞工程[2]等。在輸水隧洞高內水壓的環境中，普通混凝土襯砌往往無法滿足承載要求，因而選擇在襯砌內部施加環向錨固力來抵消內部的水壓[]，管片－預應力混凝土雙層襯砌應運而生。

預應力雙層襯砌作為帶壓輸水隧洞工程中的新型襯砌形式，其在施工與運行過程中的力學特性是盾構輸水隧洞結構設計的關鍵，為此許多學者對此種襯砌形式展開了研究。如Zareifard[4]提出了一種基于廣義有效應力原理的預應力混凝土襯砌解析解模型，并借此推導了襯砌應力、應變與孔隙壓力的關系式，以闡述預應力襯砌與管片的相互作用。Wang等5依托松花江飲水工程中直徑 6.8m 的輸水隧洞，通過現場試驗揭示了預應力與內水壓共同作用下預應力襯砌的應力重分布特征，提出了預應力襯砌軸力和彎矩的解析解。此外，學者們還通過建立三維數值模型對水工隧洞預應力襯砌進行水力耦合分析[]，探究了結構在施工期與運行期不同內荷載條件下的力學特性[]。隨著研究的深入，盾構輸水隧洞預應力雙層襯砌結構逐漸形成了“管片承擔外部荷載，預應力襯砌承擔內部荷載”的荷載分配機制[8-9] 。

針對預應力襯砌結構，其環錨預應力鋼絞線的張拉技術一直是結構設計與施工的難點，而工程實踐表明，鋼絞線錨具槽是預應力襯砌結構的薄弱位置，在預應力鋼絞線錨固點處混凝土厚度偏小，應力狀態復雜，極易開裂[10]。為此，張博[1]對西龍池抽水蓄能電站的環錨無黏結預應力混凝土襯砌進行數值建模，分析了不同錨索數自以及不同錨具槽間距對預應力混凝土襯砌環向預應力分布的影響。經過不斷地理論優化，依托已建成的預應力輸水隧洞工程，部分學者結合施工實際提出了錨具槽左右交錯分布的多層多圈環錨無黏結預應力襯砌體系[12-13] 。

綜上，大量學者對輸水隧洞預應力襯砌結構在內部荷載變化下的力學特性及預應力張拉技術進行了研究，但實際工程中隧洞埋深跨度較大，所受外部荷載復雜多變[14]，關于預應力雙層結構在外部荷載變化下的力學適應性及相互作用機理仍需要進一步完善。基于此，為探究盾構輸水隧洞預應力雙層襯砌在不同埋深下的力學適應性，本文依托珠三角水資源配置工程，設計縮尺模型試驗，對不同埋深 （10，20，30，40，50m） 下預應力雙層襯砌力學特性與損傷破壞過程進行研究，得到雙層襯砌結構力學特性隨預應力的變化規律，以期為后續輸水盾構隧洞預應力張拉施工設計理論的完善提供參考，提高預應力雙層襯砌結構的經濟性與安全性。

1 相似模型試驗

1.1 工程概況

本次研究依托工程為珠三角水資源配置工程預應力雙層襯砌標段，隧洞采用盾構法施工，最大埋深50m ，軸線長度 8774m 。區間地層由上至下主要為人工填土、淤泥質黏土、不同風化程度的泥質砂巖，輸水隧洞洞身基本全部位于泥質粉砂巖地層中，但結構的埋深跨度較大，其工程地質縱斷面如圖1所示。區間地下水補給充沛，地層含水量高。隧洞帶壓輸水，設計內水壓達 1.5MPa 。

為平衡隧洞內的高內水壓，支護結構采用預應力雙層襯砌結構，如圖2所示。其中管片為預制的C55W12鋼筋混凝土裝配式襯砌，外徑 8.3m 、幅寬1.6m 厚 0.4m ，采用“4標準塊 +2 鄰接塊 +1 封頂塊”的分塊形式。預應力混凝土襯砌由厚 0.55m 的C50W12預應力混凝土澆筑而成，錨具槽以 1m 間距在左右拱腳處交錯布置，槽中環錨預應力鋼絞線采用雙層雙圈形式布置，鋼絞線張拉控制應力 σ_con=0.75 f_ptk=1395MPa_? □

1.2 相似關系

模型試驗以珠三角水資源配置工程輸水盾構隧洞預應力雙層襯砌結構為原型，選取幾何相似比 C_L=5 、容重相似比 C_γ=1 作為基礎相似比。同時根據相似準則[15得到模型試驗相關的物理量原型值與模型值之比，如表1所列。

1.3 相似模型尺寸及相似材料配置

經過相似關系換算得到了模型試驗中預應力雙層襯砌結構尺寸及力學參數，如表2所列。其中，預應力雙層襯砌結構模型通過配置相應強度的混凝土澆筑而成，模型混凝土的配合比參照JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[16]進行設計，使混凝土模型試件的力學參數滿足相似比要求。最終確定管片襯砌模型混凝土配合比為水泥：砂：石：水：減水劑 =1：4.4：6.1 ： 1：0.03 ，預應力襯砌混凝土配合比水泥：砂：石：水：減水劑 =1：4.6：6.4：1.1：0.03 。此外，根據拉壓剛度EA等效原則，采用小直徑（管片襯砌 6mm 、預應力襯砌 8mm ）的HRB400鋼筋編織預應力雙層襯砌結構的鋼筋網。

表2原型與模型中預應力雙層襯砌結構的物理力學參數

1.3.1 管片接頭模擬

為模擬實際工程中管片襯砌在內外荷載作用下接頭位置的張開與閉合效應，選用如圖3所示的硬鋁合金材料彎螺栓，連接模型管片的環向與縱向接縫。模型螺栓與原型螺栓斷面的尺寸滿足相似關系，其斷面直徑可根據公式（1）取得：

E_smd²=S_?ES_?l²E_?sD²

式中： E_sm 為模型螺栓受拉彈性模量， 70GPa;d 為模型螺栓斷面直徑； 為彈性模量相似比， 0.2;S_ι 為幾何尺寸相似比， 0.2;E_s 原型螺栓受拉彈性模量， 194GPa;D 為原型螺栓斷面直徑， 30mm 。

1.3.2 預應力雙層襯砌接觸面模擬

在實際施工中，管片襯砌拼裝好后，預應力襯砌采用現澆的方式施作，兩層襯砌之間無其余墊層，管片襯砌與預應力襯砌間存在較強的摩擦力，因此雙層襯砌的接觸面既可以傳遞法向壓力，也能夠傳遞兩者的剪切力[17]。由于模型試驗中預應力襯砌是預制而成的，為了提高管片襯砌與預應力襯砌的整體性，模擬實際的施工過程，選取速凝型水泥砂漿對雙層襯砌的接觸面進行灌槳填充，砂槳的彈性模量、單軸抗壓強度與預應力襯砌模型混凝土一致，如圖4所示。

1.4 試驗加載與測試

試驗采用自研的“盾構隧洞水、土壓聯合加載”裝置分別施加荷載，裝置內部空間直徑 1660mm ，高640mm 。結構外部的水、土荷載按照分離控制加載等效原理分別獨立施加[18]，即從結構受力的角度出發，依據變形等效原理，通過徑向頂推I方向與Ⅱ方向的兩對千斤頂產生集中力，等效模擬土壓力與地層抗力的作用，每個千斤頂使用壓力傳感器監測實際推力。同時根據力學的平衡關系得到鋼絞線環箍力與外水壓力的轉換關系，通過張拉管片襯砌外表面的環箍鋼絞線產生徑向力，等效模擬外部水壓力的作用，外部荷載施加裝置分布如圖5所示。

結構內部荷載的加載方式與原型隧道一致，即通過張拉預先埋設在混凝土二襯模型里的鋼絞線實現結構預應力加載。如圖6所示，鋼絞線的張拉則通過手壓泵頂升特制的張拉裝置實現，張拉完成后利用緊固限位螺帽防止預應力鋼絞線松弛，并為每根鋼絞線安裝錨索測力計對張拉應力進行實時監測。此外，為模擬襯砌內部真實的水壓分布形式，通過高壓水泵充水實現結構內水壓的加載。加載過程中，打開蓋板上的排氣孔和進水閥門，利用固定在蓋板上的壓力表對內部水壓進行同步監測

試驗中為揭示外部荷載變化對盾構隧洞預應力雙層襯砌結構力學性能的影響，將對試驗中模型中間環位置的應變、位移、襯砌間接觸壓力以及損傷破壞過程中的聲發射信號進行測量采集[19]。如圖7所示，相關測試元件的布置如下： ① 采用分布式光纖傳感系統對預應力襯砌全周的內外應變進行量測； ② 在預應力雙層襯砌結構的內外兩側，從拱頂位置開始，間隔 90^° 布置共8個差動變壓器式位移傳感器； ③ 在雙層襯砌間隙層按 45^° 間隔埋置8個壓力盒監測層間接觸壓力；④ 在預應力雙層襯砌外側拱頂、拱底與左右拱腰位置各布置1個聲發射探頭。

1.5 試驗分組

試驗選擇澆筑一個整環與兩個半環的預應力雙層襯砌結構模型進行加載測試，中間整環為試驗目標環，其余兩個半環起消除邊界效應的作用，模型試驗各項數據均從中間環處測得。在實際工程中，預應力輸水隧洞埋深由淺埋至深埋跨度達 40m ，為此，模型試驗以 10m 為跨度設置5種不同埋深的工況，每種工況獨立加載測試，如表3所列。通過太沙基理論判定結構受力的深埋與淺埋[20，并計算在不同埋深條件下預應力雙層襯砌結構所受的外部水土荷載。

2 試驗結果分析

對預應力雙層襯砌結構按照表3所列工況進行加載試驗，通過對不同埋深條件下管片以及預應力襯砌的內力、位移、接觸壓力以及損傷破壞情況進行分析，揭示外部荷載對預應力雙層襯砌結構力學特性的影響規律。

2.1 雙層襯砌受力特性分析

預應力雙層襯砌結構內力雷達圖中的 0^° 位置代表結構拱頂， 180^° 位置代表結構拱底。結構的內力與位移已按照相似比換算為原型值進行分析，其中彎矩以內表面受拉、外表面受壓為正，軸力以受拉為正，受壓為負。不同理深下管片襯砌所受內力如圖8所示。

由圖8（a）可知，當施加1.5MPa設計內水壓時，管片襯砌彎矩沿環向的分布規律在各埋深條件下基本一致，即結構拱頂、拱底區域呈正彎矩，錨具槽與左右拱腰位置出現負彎矩。拱底最大正彎矩達183kN?μ_m ，而臨近的左右拱腳錨具槽處則出現了較大的負彎矩，原因是錨具槽位置混凝土保護層較薄，預應力施加不充分，導致了拱腳與拱底彎矩的差異。埋深50m 條件下，受 50m 外部水頭的作用，結構右拱腰處負彎矩最大值達 440kN?m 。由圖8（b）得，管片襯砌除拱底與左拱肩位置外，結構在內外荷載的共同作用下保持受壓狀態，軸壓力隨隧洞埋深的增加變化不大。

當結構處于 10m 埋深時，管片襯砌拱底軸拉力增至304kN ，混凝土存在受拉開裂風險。

不同埋深下，預應力襯砌所受內力見圖9。分析圖9（a）可知，預應力襯砌彎矩沿環向的分布規律在10～50m 埋深范圍內保持一致，即拱頂與拱底彎矩為正，左右拱肩彎矩為負。隨著埋深的不斷增加，左右錨具槽位置的彎矩由負變正，當埋深為 50m 時，左拱腰位置最大正彎矩達 827kN?m ，最大負彎矩在 10m 埋深時左拱肩處取得，為 -375kN?m 。由圖9（b）可知，預應力襯砌的軸力對埋深的變化響應激烈，隨埋深的減小， 30^°～45^° 方向預應力襯砌軸力從拉變成受壓，埋深降至 10m 時，預應力襯砌結構左右拱腰與錨具槽位置的軸力發生突變。究其原因，認為當埋深降至10m 時，張拉鋼絞線產生的預壓力與外部水土壓力無法完全平衡結構的內水壓力，預應力襯砌混凝土多處受拉損傷，誘使結構軸力產生突變。

從預應力襯砌與管片襯砌的內力雷達圖中可以看出，在同等埋深條件下，預應力襯砌的內力水平明顯高于管片襯砌，由此認為預應力襯砌為輸水隧洞承受內部荷載的主體結構，管片襯砌起輔助承載作用，

2.2 雙層襯砌位移特性分析

圖10為設計內水壓 1.5MPa 條件下預應力雙層襯砌結構隨埋深增加的徑向位移變化曲線，其中徑向位移以向外為正，向內為負。由圖10可知，管片襯砌左右拱腰處的位移徑向向外，拱頂與拱底位移徑向向內，結構整體變形呈“橫鴨蛋”狀且隨埋深的增加變化不大。拱底位移水平略低于拱頂位置，認為是拱底行車道位置較大的混凝土厚度限制了管片襯砌的變形。

預應力襯砌位移對埋深變化的響應更為激烈，隨著埋深的增加，襯砌拱頂與拱底的位移值不斷向內增大，拱頂位置最大位移值為 11.5mm ;預應力襯砌左右拱腰處的外擴位移值略微減小，預應力襯砌結構整體有內縮趨勢，結構受拉風險下降，管片襯砌與預應力襯砌的位移值更為接近，內外襯砌緊密接觸、變形協調，這有利于二者之間通過相互作用傳遞荷載，提高結構整體安全性。

2.3 雙層襯砌接觸壓力分析

從預應力雙層襯砌結構的位移分析中可以看出內外襯砌之間存在著較強的相互作用，據此繪制圖11所示的雙層襯砌結構接觸壓力沿環向的分布曲線，以分析管片襯砌與預應力襯砌間的相互作用。

由圖11可知，在設計內水壓 1.5MPa 的作用下，預應力雙層襯砌結構拱頂與拱底位置接觸壓力水平較高，接觸壓力左右半環對稱分布，左右錨具槽位置接觸壓力水平偏低，原因是管片襯砌在外部荷載的作用下發生了“橫鴨蛋”型橢變，使得管片襯砌在拱頂和拱底位置先與預應力襯砌產生接觸，因而拱頂與拱底位置的接觸壓力水平更高，左右錨具槽位置則出現“翹曲”現象，導致雙層襯砌層間接觸的緊密程度下降。從圖11的雙層襯砌接觸壓力分布曲線中可以看出，隨著埋深的增加，雙層襯砌的接觸壓力水平增長明顯，襯砌拱頂處的接觸壓力最大值達 619kPa ，增加埋深使得管片襯砌與預應力襯砌的相互作用更加充分，結構的整體性更好，承載性能更高。

2.4 結構損傷聲發射信息分析

輸水隧洞的損傷與結構的正常使用功能密切相關，而宏觀位移監測難以表征結構的微觀破壞。為此，利用聲發射設備對結構微裂紋的產生和發展情況進行監測，以 50m 埋深為例，統計雙層襯砌結構在內水壓施加過程中的聲發射事件（AE）并進行分析，見圖12。

由圖12可知，隨著內水壓的逐級施加，雙層襯砌結構的累計AE數呈階梯式增長，當內水壓施加至0.5MPa時，累計AE數出現運行階段的第一個突增，此時的AE率峰值為395次 ，并在下一級加載前趨于平穩。從圖中可以看出，隨著內水壓的逐級施加，AE率峰值在降低， 0.5～1.0MPa，1.0～1.5MPa 變化率分別為 21.0% ， 18.6% 。當達到設計內水壓 1.5MPa 后，結構累計AE數達2776次。

為進一步分析埋深變化對預應力雙層襯砌結構損傷破壞的影響，對不同埋深條件下結構的聲發射事件數進行統計，結果如圖13所示。

由圖13可知， 1.5MPa 設計內水壓下，隨著埋深的增加，結構的AE總數呈線性減小趨勢， 10m 埋深條件下損傷破壞程度更高，其AE總數達5487次，量值是 50m 埋深的2倍，可以看出埋深的增加對預應力雙層襯砌結構的安全運行有利。對比不同內水壓加載階段的AE數可得，在 0～1.0MPa 的內水壓加載過程中，結構的運行較為平穩，損傷裂縫發展緩慢。繼續加載至 1.5MPa ，結構AE數將達到峰值，結構損傷裂紋持續發展，這是由于在內水壓和預壓應力不斷抵消的過程中，雙層襯砌結構內部的應力不斷重新分布，同時伴有應變能的釋放，結構內部的損傷在不斷形成，激起聲發射信號被儀器捕捉記錄。如圖14所示，以 10m 埋深工況為例，加載結束后觀察雙層襯砌模型破損情況可見，在預應力襯砌的中間環無宏觀裂紋產生，頂部位置則受邊界效應的影響，表面的混凝土存在剝落現象，結構整體狀態良好無明顯損傷破壞。

3結論

本文以珠三角水資源配置工程預應力雙層襯砌段為依托，采用相似模型試驗方法，對不同埋深條件下盾構輸水隧洞預應力雙層襯砌結構力學承載特性及損傷破壞情況進行研究，主要得出以下結論：

（1）高內水壓環境下，由于內水壓與預應力的相互作用都是在預應力襯砌中完成的，預應力襯砌是輸水盾構隧洞預應力雙層襯砌的主要承載結構，隨著埋深的減小，預應力襯砌混凝土受拉開裂風險上升。

（2）在施加 1.5MPa 的內水壓后，內外襯砌變形趨于協調，預應力雙層襯砌結構整體變形呈“橫鴨蛋”

狀，隨著埋深的增大，預應力襯砌變形存在內縮趨勢，雙層襯砌層間接觸壓力增大，二者進行相互作用調整內力能力增強，整體結構更為安全。

（3）深埋條件下，土荷載保持穩定而外部水壓力大幅增加，使預應力雙層襯砌結構處于靜水壓力場中，內外荷載更加平衡，結構力學狀態更加穩定，微觀損傷事件發生率下降，無宏觀裂紋產生。在帶壓輸水的預應力雙層襯砌隧洞結構設計與施工中，應多關注其在淺埋狀態下的力學特性，評估結構的整體安全性。

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（編輯：郭甜甜）

Abstract：Theprestreseddouble-layerliningstructureofashield waterconveyancetunnelisanoveltypeofsupportstructure withgreatpotentialforigh-inteal-pressurewaterconveyanceprojectsanditsstresscharacteristicsareakeyfocusistructuraldesignandesearch.Toinvestigatethemechanicaladaptabilityofthilnngatdiferentburialdepthsa1：5scaleodeltest wasconductedbasedonthePearl RiverDelta Water Resources AlocationProject.Theresultsshowedthat：theprestresed lining istheprimaryload-bearingcomponentoftheprestresseddouble-layerlining，withhigherinteralforcelevelsthanthoseonthe segmentallining.Underthecombinedactionofinteralandexteralloads，theoveralldeformationofthestructureexhibitsa“horizontal duck-egg”shape.Asburialdepthdecreases，theriskofconcretecrackingintheprestresseddouble-layerliningincreases，andthecontactpressrebetweenthelininglayersdecreases，theinteractiveload-sharingcapabilitybetwn thesegmental liningandtheprestressedliningweakens，resultinginmoremicrostructuraldamagecracks.Therefore，inthestructuraldesignof presure waterconveyancetunnelswithprestresseddouble-layerlinings，reateratentionshouldbepaid totheir mechanicalbehaviorundershallowburialconditions.Thisstudycanserveasareferenceforthedesignofshield waterconveyance tunnels with prestressed double- layer linings.

Keywords：waterconveyancetunnel；shieldtunnel；prestresseddouble-layerlining；modeltest；mechanicalproperty；burial depth；Pearl RiverDelta Water ResourcesAllocation Project