预应力装配式混凝土衬砌的技术原理及其在水工隧洞工程中的应用

李东平　祝　珺

摘要:分别论述了装配式混凝土衬砌及预应力混凝土的技术特点,介绍了预应力装配式混凝土衬砌技术特点及其在水工隧洞工程中的应用。

关键词:装配式;预应力;水工隧洞

1 装配式混凝土衬砌的技术原理

在20世纪50年代以前,地下工程中的衬砌,无论是采用矿山法施工,还是采用掘进法施工,衬砌大都是现场浇筑的,只是对于一些对承载有特殊要求的区域采用了预制装配式混凝土结构。这种预制装配式结构具有以下优点:①便于工业化生产、劳动效率高、生产环境稳定、质量保证率高。②施工方便,模板和现浇混凝土作业很少,现场湿作业大大减少,有利于环境保护和减少施工扰民。③建造速度快,对周围生活及工作环境影响小工期短,投资回收快。④预制结构构件表面光滑平整、外观好、尺寸准确,并能够和保温、隔热、水电管线布置等方面的功能结合起来,有良好的技术经济效益。

但是,这种普通预制装配式混凝土结构也存在着节点构造复杂、结构整体性差、节点抗震性能差等缺点。预应力技术的出现给地下工程的衬砌结构带来一场革命。

2 预应力混凝土的技术原理

预应力混凝土结构是由普通钢筋混凝土结构发展而来,早期预应力混凝土进入使用阶段归功于法国的工程师弗莱西奈(Freyssinet),他在1982年研制成功了预应力混凝土,并指出预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土。预应力混凝土的原理为对结构承载时产生拉应力的部位,预先用某种方法对混凝土施加一定的预压应力,以抵消或部分抵消结构承载时产生拉的应力,达到延缓受拉混凝土开裂或裂缝开展,使结构在使用荷载下不出现裂缝或不产生过大的裂缝。预应力混凝土的理论基础包括:①预应力使混凝土成为弹性材料。将预应力混凝土构件看作混凝土经过预压后从原来抗拉弱、抗压强的脆性材料变成一种既能抗拉又能抗压的弹性材料。混凝土承受两个力系内部预压力和外部荷载。外部荷载产生的拉应力被预压力产生的拉应力所抵消。②施加预应力是为了使高强钢材和混凝土能协同工作。将预应力混凝土看作高强钢材与混凝土材料的组合,与钢筋混凝土一样用钢筋承受拉力及混凝土承受压力以抵抗外力弯矩。要充分利用混凝土结构中高强钢筋的强度,必须在与混凝土组合时预先张拉,完成一定的变形量。预应力是一种充分利用高强钢材的有效手段,预应力混凝土可以看作钢筋混凝土的扩展。③施加预应力是实现部分荷载的平衡。施加预应力是试图平衡构件上部分或全部荷载。如果预应力对截面产生的弯矩等于外荷载产生的弯矩,则构件处于轴心受压状态。

这三种不同的理论基础为预应力结构的弹性设计、塑性设计及平衡设计提供了理论依据。预应力混凝土较普通钢筋混凝土而言,具有下列主要优点:

①节约工程材料、减轻结构自重。由于预应力混凝土构件必须采用高强度钢筋和高强混凝土,因而可以减小构件的截面,节省钢材和混凝土,减轻结构的自重。预应力混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比,可以节约20-40%的混凝土和30-60%受力钢筋。②提高构件的抗裂性和刚度。施加预应力后,在使用荷载作用下,构件可以不出现裂缝或推迟裂缝的出现,构件刚度相应提高,结构的耐久性增强。③减小混凝土梁的剪力和主拉应力。由于平衡荷载的作用,预应力构件支座部分剪力减小又由于混凝土预压应力的存在,使荷载作用下的主拉应力减小,有利于减小梁腹的厚度,减小结构的自重。④结构安全、质量可靠。施加预应力时,预应力筋和混凝土都将接受一次强度检验,对结构的安全和质量保证起到预检验的作用。

此外,由于预应力的存在,混凝土基本全截面参与受力,在疲劳荷载作用所引起的应力变化相对较小,因此施加预应力可以提高构件的抗疲劳性能。

3 预制装配式预应力混凝土衬砌结构的技术原理

水工隧洞在内水压力作用下,衬砌是承受拉应力的。由于混凝土的抗拉强度和延展性很低,当衬砌拉应力过大时,衬砌可能开裂,增加了透水性,还有可能危及其它建筑物的安全。对于高水头的引水隧洞,不得不做成防渗的钢板衬砌,或为了防渗的要求,做成很厚的钢筋混凝土衬砌,这显然是不经济的。为了充分利用混凝土的抗压强度和围岩的承载能力,在施工时可采用各种不同的方法,对衬砌施加一种与内水压力相反的径向压力,以抵消一部分或全部由内水压力作用产生的拉应力,这样就可以取消钢板衬砌或使钢筋混凝土衬砌厚度减薄。使衬砌结构获得一定预压应力的衬砌,称为预应力衬砌。

采用预制装配式预应力混凝土结构时,施加预应力一方面可以减轻结构自重、提高结构抗裂性,同时可以作为拼装手段,提高节点的整体性和抗震性能。预制装配式预应力混凝土结构的出现,既保留了预制装配式结构的优点,又能够克服其存在的缺陷同时扩大了预制装配式结构的应用范围,预应力技术在预制装配式预应力混凝土衬砌结构的发展,最先体现在盾构隧道管片中的应用。

在盾构隧道方面,日本在20世纪90年代率先开展了预应力管片试验研究,目的是用于小直径、受内压的隧道,在寝屋川流域恩智川东干线50m的下水道受内压区间段使用的预制预应力管片外直径为,厚150mm,宽1.0m,采用无粘结预应力钢丝。

日本方面的研究表明预应力衬砌具有如下特性:①良好的经济性。使用预应力衬砌可以节约联接螺栓,节约内衬,同样的内力作用下可以减小管片厚度。②良好的衬砌质量。减少结构出现的裂缝,使管片表面光滑、抗渗能力提高施加预应力可以减小施工时拼装变形接头的张角较小。③施工方便。省却螺栓安装,易于快速拼装,张拉对隧道推进影响小。光滑的内表面。不需要环向螺栓的安装手空,减少内部的外露钢制部件,且内部裂缝同样较少。④承受内水压时,可以使混凝土处于受压状态,对结构防水和稳定性都有利。

国内对预应力装配式衬砌进行的研究首推同济大学进行的“盾构隧道预应力管片的模型试验与设计方法研究”,(2004年)。该研究在模型試验和有限元分析基础上,得出如下结论:①与普通螺栓联接的管片接头刚度相比,预应力管片接头刚度完全可以满足管片设计的要求,并且在预应力施加吨位增大的情况下,还可以有所提高。②整环试验结果表明预应力衬砌的纵向接缝位置的变化对结构的影响不同,整体的力学性能有相应的改变通过施加预应力,预应力管片所承受的荷载将大于同等条件下的普通管片。③预应力管片在整个施加外荷载的过程中,能够较好地保持管环的真圆度,这将有利于管片受力均匀,防止管片管径产生过大变形而产生裂缝,有利于其耐久性。④对于预应力管片试验中裂缝的观察可以看出,由于有预加应力的存在,裂缝的扩展并不是随着外荷载的增大而有较大的变化,而且在荷载减小后,裂缝将自动闭合,这对于整个管片,甚至是整条隧道的耐久性都是十分有利的。

4 预应力混凝土技术在水工隧洞衬砌中的应用

预应力衬砌最早出现在欧洲,20世纪20年代G·布拉文首先提出了在衬砌与围岩之间留一条专门的缝隙,用灌浆来形成预应力。1946年贝尔格也曾提出过用灌浆的办法建造预应力衬砌。1942年,根据工程师蒙大尼的提议,法国艾依里水电站用灌浆的方法建造了预应力衬砌。20世纪40～50年代,在德国、意大利、南斯拉夫、法国、奥地利和前苏联先后建成了一批预应力衬砌的压力隧洞。

压力隧洞衬砌中的预应力按其施加形式可分为两大类:一类是利用围岩的弹性抗力,在衬砌混凝土环与围岩之间的空隙内施加液体压力(如高压灌注水泥浆)挤压衬砌混凝土环形成,此种方法形成的预应力永久保存的必要条件是,上覆岩体具有足够的强度和厚度,围岩比较完整、弹性好,否则会因蠕变而达不到预期效果,因而属被动式预应力;二类是通过后张预置在衬砌中的预应力筋束挤压衬砌混凝土环形成,属主动式预应力,当衬砌环由预制管片组装而成时,属于预制管片预应力混凝土衬砌技术。现在大力推广的衬砌混凝土是在隧洞内现浇成型的高效预应力混凝土技术。主动式预应力适用于任何围岩条件,且因预应力度通过预应力筋束布置选定,具有灵活、可靠、持久的特点。

参考文献

[1]杜拱辰,米祥友主编 面向21世纪的预应力混凝土[M].北京专利文献出版社,1998.11.

[2]]王晋瑛 压力隧洞预应力混凝土衬砌浅谈[J].贵州水力发电17(4)2003.10.