南水北调穿黄隧洞内衬预应力锚索应力应变试验研究

姜小兰，吴 浪，孙绍文，张小伟

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验实，武汉 430010；2.武警水电第六支队，湖北宜昌 443133）

南水北调穿黄隧洞内衬预应力锚索应力应变试验研究

姜小兰1，吴 浪2，孙绍文1，张小伟1

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验实，武汉 430010；2.武警水电第六支队，湖北宜昌 443133）

南水北调中线穿黄隧洞内衬张拉，采用弧形垫座将内衬预应力锚索导出预留槽，只用一台千斤顶实现无台座张拉，这在盾构隧洞工程中属首次应用，结构创新、工艺复杂可借鉴的资料较少。为了验证结构设计的合理性和可靠性，完善施工工艺，确保在隧洞衬砌中成功应用，通过穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验，对内衬钢绞线在张拉过程中应变规律、应力损失、锚束之间的相互影响及锚索与波纹管间的摩阻系数等要素进行研究分析。试验结果显示张拉锚固端应力总损失（包括锚具损失和锚索回缩损失）小于35%；锚具锁定后最大应力为1 044.25 MPa；预应力锚索张拉对相邻锚索的影响较小；锚索与管道间的摩阻系数在规范范围内。

穿黄隧洞；环锚预应力；锚索应力应变；摩阻系数

南水北调穿黄隧洞工程是南水北调中线的关键工程，也是我国穿越大江大河规模最大的输水隧洞，被称为南水北调的“咽喉工程”。两条平行引水穿黄隧洞是整个穿黄工程最引人瞩目的控制性建筑物，每条隧洞总长4 250 m，单洞内直径为7 m，外直径为8.7 m［1］，穿黄工程由南北岸明渠、南岸退水建筑物、进口建筑物、邙山隧洞段、穿黄隧洞段、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导工程等组成。穿黄工程是南水北调中线工程的关键工程，预应力环锚在国内用于水电工程实例较少，可借鉴的资料为数不多。本课题通过穿黄隧洞衬砌1∶1模型试验，较真实地模拟隧洞受力条件、施工工艺，通过预应力张拉实地监测，揭示工作性态，为新技术成功应用和确保工程安全顺利实施，提供试验依据。

1 模型试验基本概况

穿黄隧洞采用双层衬砌，外衬为拼接式钢筋混凝土管片结构，混凝土强度等级为C50，厚度40 cm；内衬为现浇预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C40，厚度45 cm；内、外衬由弹性防、排水垫衬分隔，且分别独立工作［1］。内衬预应力采用环锚（HM）预应力系统，采用有粘结钢绞线，单束锚索由12根钢绞线集束组成，下料长度为26 m。锚索沿轴向间距40 cm，借助弧形垫座将锚索导出预留槽外，只用一台千斤顶实现无台座张拉，在盾构隧洞工程中属首次应用，结构创新、工艺先进。环形后张预应力混凝土衬砌技术在国外早在20世纪70年代已得到广泛应用。但在地下圆形洞室中应用是一个新的技术领域，目前在我国还处于探索和发展阶段。为了验证结构设计的合理性和可靠性，完善施工工艺，对穿黄隧洞衬砌进行1∶1仿真模型试验研究。本次测试工作主要对内衬钢绞线在张拉过程中应力应变规律、应力损失、锚束之间的相互影响及锚索与波纹管间的摩阻系数等进行测量。

图1 模型现场施工Fig.1 M odel of construction at site

2 模型试验研究

2.1 试验测试内容

模型照片见图1，锚具槽分布图见图2。内衬预应力环张拉钢绞线弹性模量为198GPa，混凝土标号为C40，模型纵向长为9.6 m，共24束锚索，每一束由12根钢绞线集束而成，每根钢绞线由7根Ø5钢丝组成。每束锚索配HM15-12型工作锚板一块（含夹片）及其配件一套。

图2 锚具槽分布及钢绞线应变测位布置展视图Fig.2 Exhibiting view the distribution of anchors slot and steel strand location layouts of strain-measuring（unit in mm）

图3 1-1监测断面钢绞线应变测位布置图（mm）Fig.3 M easuring location layout of steel strand strain at them onitoring section 1-1（unit in mm）

预应力张拉钢绞线测试内容如下：

（1）预应力张拉过程中钢绞线应力变化及分布；

（2）张拉荷载与钢绞线应力之间的关系；

（3）锚固端应力损失；

（4）预应力张拉过程中锚索之间的相互影响；

（5）锚索与波纹管间的摩阻系数。

2.2 监测断面与计算原理

在1节（长9.6 m）隧洞中，共布置有24束锚索。管道的结构计算表明，中间断面为隧洞受力的典型断面，靠端部断面是应力较复杂的部位，因此在隧洞一侧布设5#，8#，11#3断面，另一侧布设14#，17#和20#6束锚索作为试验断面，见图2。为了反映应力沿环向的分布情况，每束锚索沿环向0°，40°，80°，147°，213°，280°，320°布置7个监测部位（其中147°，213°两测位是考虑地面砼垫层及受力特点而作的适当调整），每个监测部位布置6枚应变片，为了便于在钢绞线上固定应变片及引出线，模型对每一监测部位预留窗口。模型中共计42个监测部位、252枚应变片（补偿片除外）。监测断面详见图3。

钢绞线实测应力计算公式为

式中：E为弹性模量；ε为所监测部位测得的应变值，取监测部位6枚应变片的平均值为计算值。

钢绞线摩阻系数计算公式［2］为

式中：μ为钢绞线与管道摩阻系数；σ0为预应力筋张拉端的张拉控制应力（MPa）；σ为锚索测试点实测应力（MPa）；θ为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，分段后为每分段中各曲线段的切线夹角和。

2.3 电阻应变片安装过程

（1）电阻应变计（简称电阻片）在粘贴安装前均进行了检验；每片的阻值相同且稳定方可使用。

（2）每束锚索7个测位，每个测位布设6个电阻片，故6个试验锚索共计252个测点。

（3）锚索第1次预紧后，在开设的窗口和预留槽内粘贴电阻片。先用柴油洗去锚索表面油脂和铁锈，并对钢绞线表面进行打毛砂光处理，用丙酮清洗，然后用502胶将应变片沿钢绞线轴线贴在外层的钢丝上，进行绝缘处理，待胶固结后，检测电阻片的各项读数，若应变片检查均合格，涂上保护层进行保护。

（4）温度补偿片在室内制作。截取一段约10 cm长的钢绞线，洗油、表面打毛砂光处理，丙酮清洗，然后在钢丝上将应变片粘贴好。检测合格后，表面涂上保护层进行保护，放入内径60 mm，长约1.5 m的一节钢管内，并将钢管两端密封。

（5）钢绞线拉伸时，为避免损坏电阻片，布置电阻片时考虑了钢绞线的滑移方向和长度，并采用涂层保护电阻片，避免因钢绞线滑移而损坏。

2.4 试验加载步骤

2.4.1 单根钢绞线预紧

对于1#至24#锚索，采用YDC240QX型千斤顶逐束对单根钢绞线预紧，具体要求如下。

第1轮预紧：只对试验束。5#，8#，11#，14#，17#，20#锚索中的每根钢绞线依次分别预紧至21 kN；

第2轮预紧：对1#至24#锚索中的每根钢绞线依次预紧至42 kN，然后对5#，8#，11#，14#，17#，20#锚索分别粘贴电阻应变片，并开始进行观测。

2.4.2 锚索整束张拉

锚索整束采用YCW250B（或YCW350B）千斤顶作整束拉张，分三序进行。张拉前、锚固后进行锚索应力测试。在张拉过程中，严格控制两边张拉应力的平衡，避免钢绞线伸长不均匀，对应变片造成损坏。在每级张拉过程中均进行锚索锚固力以及隧洞内、外表面裂缝的观测。

（1）第一序拉张：由1#至24#按编号顺序逐束进行拉张。测试锚索荷载分1 000，1 250，1 500 kN三级拉到1 500 kN。

（2）第二序张拉：由2#至23#按编号顺序逐束进行张拉。测试锚索荷载分1 750，2 000，2 250，2 500 kN四级拉到2 500 kN。

（3）第三序张拉：对1#和24#锚索进行1 750，2 000，2 250，2 500 kN四级荷载张拉到2 500 kN。

张拉加荷过程中，均需对该锚索的预留槽外壁面进行观察，一旦发现裂缝、破损、曲折，均应立即停止张拉。

3 试验成果分析

3.1 第一序张拉成果

后张法预应力钢绞线在张拉过程中，主要受到以下两方面的因素影响：一是管道弯曲影响引起的摩擦力；二是管道偏差影响引起的摩擦力，导致钢绞线张拉时，锚固端控制应力沿着管壁向跨中逐渐减小，因而每一段的钢绞线的伸长值也是不相同的［3］。

从张拉成果来看，沿环向应力普遍规律是张拉槽的应力最大，与它相邻的窗口次之，与它直径对应另一端窗口的应力最小。张拉槽最大张拉力为1 80.08 kN（5#），相邻的窗口最大张拉力为1 09.49 kN（11#），张拉槽直径所对应的另一端窗口最大张拉力为760.20 kN（11#）。

3.2 第二序张拉成果

第二序张拉是在第一序张拉的基础上进行的，且把1 500 kN张拉荷载的应变作为零应变初始值。第二序张拉应力规律与第一序相同。张拉槽最大张拉力为1 223.53 kN（17#），相邻的窗口最大张拉力为1 032.21 kN（14#），张拉槽直径所对应的另一端窗口最大张拉力为556.50 kN（8#）。

3.3 张拉全过程成果

钢绞线在预应力张拉过程中，应变与荷载关系基本呈线性变化，如图4。

图4 第14束钢绞线荷载（预应力）-应变曲线Fig.4 The fourteenth steel-strand load（prestressing force）-strain curves

3.4 预应力张拉锚固端及其它测点拉力损失分析

锚固端和其它测点在张拉全过程结束并锁定5 min后，锚固端的应力损失率最大值为35%，其它测点应力损失率普遍较小，一般为0～1%，最大值为6%，影响不大，见表1。锚索锚固端在第一序张拉和第二序张拉应力损失相当。

3.5 相邻锚索之间的影响

在所量测的5#，8#，11#，14#，17#，20#试验锚索中，对相邻锚索的影响最大值不超过4 MPa，隔束影响更小，最大的不超过0.8 MPa。如图5，在张拉14#锚索时，相邻锚索11#和17#锚索应力影响值分别为3.75 MPa和2.3 MPa。图中纵坐标为锚索应力，横坐标为一节隧洞沿轴向长度坐标（mm）及锚索编号。

表1 8#钢绞线应力总损失Table1 Total losses of the steel strand No.8 stress

图5 第14束张拉窗口5相邻段影响Fig.5 The effect on the ad jacent segment w indows when the fourteenth cable is tensioned

3.6 摩阻损失系数计算

根据公式（2）计算摩阻损失系数。在第一序张拉中，为了消除加载初期应力不稳定的影响，以1 500 kN的张拉荷载减去500 kN的张拉荷载所测钢索应力增值，作为摩阻损失系数计算应力。在第二序张拉中，以2 500 kN的张拉荷载减去1 750 kN的张拉荷载所测钢索应力增值，作为摩阻损失系数计算应力。以此参数计算得出一、二序摩阻损失系数μ平均值为0.27。在张拉端，应力影响因素较多。为消除此影响，采用与张拉端相邻的观测窗所测应力作为控制应力σ0，以其他各个观测窗所测应力作为σ进行摩阻损失系数计算。以此参数计算得一、二序摩阻损失系数μ平均值为0.23，见表2和表3。综合各因素，锚索与管道间的摩阻系数μ可取0.25。

表2 第一序张拉钢索与管道摩阻损失系数μTable2 The friction loss coefficientμbetween cable and pipeline when first order is tensioned

表3 第二序张拉钢索与管道摩阻损失系数μTable3 The friction loss coefficientμbetween cable and pipeline when second order is tensioned

4 结 语

根据试验成果及分析，可以得出以下结论：

（1）锚索在最大预应力（2 500 kN）作用下，锚固端钢绞线最大应力为1 510.29 MPa，锚具锁定后应力为1 044.25 MPa，小于其抗拉强度的0.7倍（抗拉强度为1 860 MPa），满足其强度要求。

（2）钢绞线在预应力张拉过程中，应力与荷载关系基本呈线性变化。

（3）张拉锚固端应力总损失（包括锚具损失和锚索回缩损失）范围在35%以内。

（4）预应力锚索张拉对相邻锚索的影响小于4 MPa，隔束影响小于0.8 MPa。

（5）锚索与管道间的摩阻系数，以锚固端（张拉槽）张拉应力作为控制应力，μ＝0.27。考虑到锚固端（张拉槽）影响因素较多，采用锚固端相邻测位作为控制应力，相应μ＝0.23。综合各因素锚索与道间的摩阻系数μ＝0.25，符合规范要求。

［1］ 付志远，张传建，段国学，等.穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究实施报告［R］.武汉：长江水利委员会，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］ 朱伯龙.混凝土结构设计原理［M］.上海：同济大学出版社，1992.（ZHU Bo-long.Design Principle for Concrete Structure［M］.Shanghai：Tongji University Press，1992.（in Chinese））

［3］ 张长海.预应力锚固技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2001.（ZHANG Chang-hai.Prestressed Anchorage Technology［M］.Beijing：ChinaWater Power Press，2001.（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

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

国家十一五科技支撑计划项目（2006BAB04A11）

姜小兰（1964-），女，湖北鄂州人，高级工程师，主要从事水工结构模型试验研究工作，（电话）027-82829737（电子信箱）jiangxl668＠163.com。