盾构隧洞预应力双层衬砌张拉施工及控制技术研究

谢强 陈昱弛 王彦东 陈宣 刘畅

收稿日期：2023-11-22；接受日期：2024-02-01

基金项目：国家自然科学基金项目（51991394）

作者简介：谢  强，男，高级工程师，主要从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.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0176-06

引用本文：谢强，陈昱弛，王彦东，等.

盾构隧洞预应力双层衬砌张拉施工及控制技术研究

［J］.人民长江，2024，55（6）：176-181，187.

摘要：预应力张拉是盾构隧洞预应力双层衬砌施工过程中的关键环节，良好的预应力张拉控制对于结构的整体使用寿命十分重要。基于珠江三角洲水资源配置工程某盾构隧洞，对预应力双层衬砌张拉施工技术进行了总结，采用有限元数值模拟进行应力控制验证，并鉴于现有实测数据缺陷提出了一种张拉钢绞线伸长量计算方法。结果表明：智能张拉施工技术具有高精度、高稳定性的特点；张拉结束后预应力混凝土衬砌结构全环受压，锚具槽为全环最不利位置，最大环向压应力为14.0 MPa，未超过混凝土允许应力，结构整体受力安全；环锚钢绞线实际计算伸长量与规范允许值误差不超过6%，满足工程需求。研究成果可丰富输水隧洞预应力张拉施工及控制技术体系。

关  键  词：输水隧洞； 预应力衬砌； 预应力张拉控制； 数值模拟； 理论计算； 珠江三角洲

中图法分类号： TV523

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.024

0  引 言

盾构隧洞管片-预应力双层衬砌结构目前在输水隧洞工程中具有广泛的应用前景，其原理是通过在单层管片衬砌基础上再施作一层预应力内衬结构抵抗隧洞内部水压，以此实现内外压力平衡，维持结构的整体稳定［1］。预应力张拉是盾构隧洞管片-预应力双层衬砌施工过程中的关键环节，良好的预应力张拉控制可以避免结构失稳，保证前期施工与后期运行的安全。

目前在输水隧洞预应力张拉领域，已有学者开展了广泛研究。亢景付等［2］对单束锚索作用下的圆筒形预应力结构内力计算方法进行分析，提出了锚索间距的叠加公式，并根据工程实际对锚索的作用范围和内力变化规律进行了对比验证，此外还提出了一种模拟水工压力隧洞预应力的等效荷载法，通过现场实测数据验证了有限元方法的正确性［3-4］；殷娟等［5］从张拉设备、施工技术流程以及施工技术要点等方面介绍了输水隧洞工程预应力衬砌环锚锚索二次张拉施工实践；曹瑞琅等［6］依托引松供水工程原位加载试验，明确了内水压加载过程中衬砌的内力分布特征，揭示了预应力、钢筋内力及锚固力的损失变化规律；薛广文等［7］依托珠三角水资源配置工程，提出了优于常规预应力张拉锚具槽的预制装配式免拆模板锚具槽，并采用有限元方法开展了受力分析验证；Yang等［8-9］基于南水北调穿黄隧洞，探究了两种新型预应力复合衬砌结构型式的应力分布和变形特征；Wang等［10］基于原型加载试验，提出了后张无黏结预应力复合衬砌在内水压作用下的内力解析解，并与现场试验结果进行了验证。预应力张拉控制方面，皮进等［11］基于引松供水工程无黏结环锚预应力衬砌现场原位试验，提出了应力控制、张拉速度控制、稳定时间控制和实测伸长值控制的张拉指标，但该实测伸长值指标并未考虑张拉过程中的钢绞线回缩量；张威等［12］对闸墩混凝土预应力张拉工艺控制进行了介绍，指出张拉细节控制、施工方法优化以及锚索测力计的数据纠偏等措施可以提高锚索功效；周建诚等［13］介绍了上海轨道交通17号线西延伸工程先张法预应力U型梁施工技术，并计算了张拉工艺下U型梁的预应力损失与张拉伸长值。除此之外，预应力张拉控制的研究更多地出现在桥梁结构领域［14-15］和部分地下工程领域［16-17］。

综上，现阶段关于输水隧洞环锚预应力张拉控制的研究并不多见，更是缺乏与盾构隧洞环形预应力混凝土内衬两次分级张拉甚至多次分级张拉相匹配的实际伸长值计算方法。基于此，本文以珠三角水资源配置工程某盾构输水隧洞预应力混凝土双层衬砌区间为依托，总结盾构隧洞环锚预应力内衬分级智能张拉技术；在此基础上提出了张拉控制验证方法，进一步提出一种应用于环形预应力衬砌两次分级张拉的伸长值计算方法，并与现场实测数据进行对比验证，以丰富输水隧洞预应力张拉控制研究。

1  工程概况

珠三角水资源配置工程某盾构输水隧洞轴线长8 774.259 m。管片采用C55预制钢筋混凝土，外径8.3 m，内径7.5 m，管片厚0.4 m，宽1.6 m，内衬采用C50预应力混凝土，厚0.55 m，衬砌施工完毕后内径为6.4 m。预应力双层衬砌结构如图1所示。

单节预应力混凝土衬砌浇筑段长度为11.84 m，共有锚具槽23个，锚具槽中心距0.5 m，左右两侧45°交错布置，锚具槽采用韧性纤维混凝土预制免拆模板，采用卡口方式组装形成。现场通过张拉无黏结预应力钢绞线对结构施加预应力，采用8根高强低松弛无黏结镀锌钢绞线，直径15.2 mm，双层双圈布置。钢绞线抗拉强度标准值fptk=1 860 MPa，张拉控制应力σcon=0.75fptk。

2  盾构隧洞预应力内衬张拉施工技术

当盾构隧洞预应力内衬混凝土强度达到100%立方体抗压强度且养护时间不少于14 d时，方可进行预应力内衬张拉。张拉施工前，需做好场地、材料及技术3方面的准备工作，确保施工安全进行，准备工作主要包括：清场、技术方案整理交底、张拉机具设备检测验收及现场调试、张拉预调整等。

2.1  张拉施工工艺流程

张拉开始前应检查张拉准备工作，待设备满足张拉条件后，对钢绞线工作段进行PE皮剥除抽拉，抽拉达到标准长度，安装防腐件、工作锚具、夹片及张拉机具，验收确保锚具、限位板、偏转器、延长筒、千斤顶、夹片等装置安装无偏差。完成锚具组建工作后开始张拉作业，待张拉至设计长度，拆除张拉机具、切割张拉端多余钢绞线、安装防腐密封件、锚具槽回填。预应力张拉施工工艺流程见图2。

2.2  智能张拉设备

有别于常规预应力张拉施工技术，该工程采用的钢绞线预应力张拉设备为一体化智能张拉设备，此装置兼备远程控制、张拉监控、数据传输等功能，具有高精度、强适应性、高稳定性等特点。张拉施工前参照分级张拉要求，对千斤顶、油泵和分级控制进行参数设置，通过智能张拉设备控制千斤顶和油泵进行张拉，张拉过程中采用智能监管平台进行数据实时传输与监控。自动化张拉设备系统如图3所示。

2.3  盾构隧洞预应力张拉顺序

根据设计图纸要求，盾构隧洞每束钢绞线分两次张拉到位，第一次张拉到50%σcon，第二次张拉到103%σcon。预应力张拉以单节预应力混凝土衬砌浇筑段为独立施工单位进行，张拉顺序见图4。两次张拉分为了4个张拉步：第一张拉步，1，3，…，21，23号锚具槽钢绞线张拉至50%σcon，卸下工装；第二张拉步，2，4，…，20，22号锚具槽钢绞线张拉至50%σcon，卸下工装；第三张拉步，1，3，…，21，23号锚具槽重新安装工装，钢绞线张拉至103%σcon，卸下工装；第四张拉步，2，4，…，20，22号锚具槽重新安装工装，钢绞线张拉至103%σcon，卸下工装，自此张拉结束。由于钢绞线从工装卸除到重新安装进行第二次张拉的过程中会产生应力徐变，导致回缩，因此第二次张拉前应先对千斤顶加压，将张拉力值升到第一次张拉完成稳压后的状态，再开始第二次张拉。在此过程中可以通过智能张拉设备记录张拉力和钢绞线伸长量。

该工程环锚张拉时需要8根钢绞线同时张拉达到0.75fptk，千斤顶所需最大张拉力F=1 562.4 kN。为保证张拉安全，在张拉过程中应分为6级匀速加压，首先应进行预张拉，采用8根钢绞线整体张拉预紧，预张拉荷载为设计张拉力的15%，待偏转器各接口紧密贴合后，再按分级张拉表（表1）进行整体智能张拉。张拉过程中每级荷载达到预定值后稳定5 min再进行下一级加载，最后一级张拉荷载稳定10 min；每级荷载施加后应测量钢绞线的伸长值。锚具锁定后应测量回缩量，实测回缩量不应大于5 mm。

3  盾构隧洞预应力内衬张拉施工控制

预应力张拉过程中需要结合预应力张拉控制来判定施工效果，通常以张拉力控制为主、钢绞线伸长量控制为辅。可依据千斤顶与油泵的回归曲线关系，通过监控油泵的油压值反算张拉力，或通过千斤顶的监控设备监测张拉力；张拉伸长量可通过千分尺或者位移计直接测量。该工程采用的自动化张拉设备系统可以对张拉过程中的钢绞线张拉力与伸长量进行实时监测，如图5所示，图中序号分别对应两次分级张拉施加的顺序。

根据钢绞线张拉实时监测曲线可知，随着匀速分级张拉的进行，钢绞线张拉力达到控制应力，对应钢绞线伸长量近似线性增长，该伸长量是多级张拉之后的累计值，并不是钢绞线实际伸长值，所以在第6级荷载步时，对应的伸长量超过了设计标准（280 mm），不能直接用于张拉伸长量控制验证。并且仅通过监测钢绞线张拉力并不能确保整体结构安全，还需结合张拉之后混凝土结构的应力状态来判断，当衬砌结构混凝土的应力强度满足混凝土强度要求时，方可判定结构安全。

因此本节从混凝土结构应力出发，采用有限元数值模拟对张拉施工结束后混凝土的应力状态进行安全验证，并结合现场实时监测数据，给出一种与环形预应力混凝土内衬两次分级张拉相匹配的实际伸长量计算方法，用于张拉钢绞线伸长量控制验证。

3.1  盾构隧洞预应力内衬张拉应力控制

3.1.1  数值分析模型

基于珠三角水资源配置工程某盾构隧洞预应力双层衬砌结构，采用荷载结构法建立三维数值分析模型，如图6所示，计算取一个标准段进行，模型纵向长度（Z向）为11.84 m，管片外径为8.3 m，厚度为0.4 m，预应力混凝土内衬厚度为0.55 m，双层衬砌内径为 6.4 m。

管片与预应力混凝土内衬单元采用C3D8R实体，纵向、环向连接螺栓模拟采用点-面耦合式连接单元，管片与地层之间采用弹簧单元；管片衬砌之间法向相互作用采用硬接触，切向相互作用采用基于罚函数的库伦摩擦模型，摩擦系数取0.5［18］。地层以及结构参数按照工程实际参数取值，见表2。

本次计算主要考虑的施工阶段荷载如下：围岩压力、外水压、双层衬砌结构自重以及钢绞线预应力，其中围岩压力、外水压、钢绞线预应力均以表面荷载形式施加，钢绞线预加应力以等效径向应力形式施加到锚索作用面，各项荷载的计算参照SL 279-2016《水工隧洞设计规范》［19］与盾构隧洞区间地质勘察报告，如图7所示。

3.1.2  张拉应力控制

根据图4所示的张拉顺序对结构施加预应力，计算结束提取模型的应力结果进行分析，见图8。

由图8可知，钢绞线张拉完毕后，预应力混凝土衬砌基本全环受压，衬砌两侧锚具槽位置是应力集中的地方，行车道平台处的应力值最小。因此，在预应力张拉阶段，锚具槽是结构受力最不利部位，相对而言行车道是最稳定的位置。钢绞线张拉完成后预应力混凝土衬砌结构在径向大部分表现为受压，而且越靠近结构内侧，径向压应力越大，衬砌外侧的径向压应力接近于零，结构外侧部分位置的径向应力甚至出现正值。

进一步提取出施工阶段结构环向压应力和径向压应力的最大值，其中环向最大压应力为14.0 MPa，径向最大压应力为1.70 MPa。姚广亮等［20］基于珠三角水资源配置工程，也采用数值模拟探究了盾构隧洞无黏结预应力混凝土内衬的受力情况，其中环向应力最大值为14.4 MPa，与本文计算结果基本一致，说明本次模拟数据有效。

根据SL 191-2008《水工混凝土结构设计规范》［21］，在预应力混凝土结构构件的施工阶段，预拉区不允许出现裂缝的构件或预压时全截面受压的构件，在预加力、自重及施工荷载（必要时应考虑动力系数）作用下其截面边缘的混凝土法向应力应符合下列规定：σct≤f′tk（1）

σcc≤0.8f′ck（2）

式中：σct、σcc分别为相应施工阶段计算截面边缘纤维的混凝土拉应力及压应力；f′tk、f′ck分别为各施工阶段混凝土立方体抗压强度f′cu相应的轴心抗拉及抗压强度标准值，该工程采用C50W12预应力混凝土，故f′tk=2.64 MPa，f′ck=32.4 MPa。

经计算，该工程的应力控制如下：（σc）max=14.0 MPa≤0.8×32.4=25.92 MPa。

因此，施工阶段衬砌混凝土最大压应力满足规范强度要求。

3.2  盾构隧洞预应力内衬张拉伸长量控制

3.2.1  环锚预应力钢绞线伸长值计算方法

根据图4所示的预应力张拉施工顺序，在每级张拉结束后测量钢绞线的伸长值并记录，如表3所列，其中第4-1级为第二次张拉前，对千斤顶加压将张拉力值升到第一次张拉完成稳压后的过程。预应力张拉分为两次分级进行，最终的张拉伸长值应为两次张拉的实际伸长值之和。第一次张拉过程中，第1级（0%～15%F）的伸长值为初应力下的伸长值，参照DL/T 5083-2019《水电水利工程预应力锚固施工规范》［22］要求，初应力下的测量伸长值用初应力理论伸长值代替，如式（3）所示：ΔL=ΔL1+ΔL2（3）

式中：ΔL为锚索实际伸长值，mm；ΔL1为从初应力至最终应力之间的实测伸长值，包括多级张拉、两端张拉总伸长值，mm；ΔL2为初应力下的推算伸长值，mm。

在环锚预应力内衬单次张拉结束后，钢绞线会产生锚固回缩，在计算过程中需要扣除张拉稳定后的钢绞线回缩量，但由于第二次张拉开始前会再次对钢绞线施加预应力，将整体状态恢复至第一次张拉后稳压完成时的状态，因此可不必考虑第一次张拉结束后的锚固回缩，仅计算第二次张拉结束后的钢绞线回缩量即可。此外，在图5钢绞线张拉实时监测曲线中，第二次对钢绞线施加预应力（0%～50%F）时，钢绞线产生的伸长量L4-1始终大于第一次张拉结束时的伸长量L3，受分级张拉施工工序的影响，施工过程中每束钢绞线经历了卸下工装与重新安装工装两道工序，导致系统实时监测伸长量出现误差，在计算过程中需要扣除该部分误差，不予考虑。

综合以上因素，可得到钢绞线的最终伸长量计算公式如下：L=L3－L1+ΔL+L6－L4－1－Y（4）

式中：Y为第二次张拉稳定后的锚固回缩值。为简便计算，对于初应力下的伸长值计算也常用第二级伸长值与第三级伸长值的差值来替代。因此上式可写为

L=L3－L1+L3－L2+L6－L4－1－Y（5）

3.2.2  环锚预应力钢绞线伸长值验证

提取图5所示的多级张拉钢绞线累计伸长量，该伸长值只反映了单一锚具槽钢绞线的拉伸情况。提取出单节预应力混凝土衬砌浇筑段对应的所有锚具槽钢绞线的伸长值与公式（5）计算得到钢绞线最终伸长值进行对比，如图9所示。经计算，在一个预应力混凝土衬砌浇筑段内，钢绞线实际伸长量最大值为293.22 mm，最小值为263.75 mm，与规范允许伸长值误差不超过6%，满足工程需求。

4  结 论

本文依托珠三角水资源配置工程某盾构隧洞预应力混凝土双层衬砌区间，介绍了输水隧洞预应力内衬分级智能张拉施工技术，并通过有限元数值模拟与理论分析对其进行张拉验证，主要得到如下结论：（1） 通过有限元分析，钢绞线张拉完毕后，预应力混凝土衬砌全环受压，锚具槽位置为全环受力最不利部位，行车道位置最为稳定，其中锚具槽环向最大压应力为14.0 MPa，未超过结构允许应力，因此施工阶段计算截面边缘纤维的混凝土压应力满足结构强度要求。

（2） 基于现场实测累计钢绞线伸长值，提出了一种实际张拉伸长量计算方法，并得知在一个预应力混凝土衬砌浇筑段，钢绞线的实际伸长量最大值为293.22 m，最小值为263.75 mm，与规范允许伸长值误差不超过6%，满足工程需求。

参考文献：［1］  随春娥.小浪底无粘结环锚预应力混凝土衬砌结构应力状态及安全评价分析［D］.天津：天津大学，2014.

［2］  亢景付，胡玉明.圆筒形预应力结构锚索间距的确定方法［J］.工程力学，2003（5）：121-123，133.

［3］  亢景付，梁跃华，张沁成.环锚预应力混凝土衬砌三维有限元计算分析［J］.天津大学学报，2006（8）：968-972.

［4］  亢景付，崔诗慧.基于观测数据的环锚预应力混凝土衬砌预应力效果分析［J］.水力发电学报，2013，32（1）：237-241，247.

［5］  殷娟，曹生荣，秦敢，等.输水隧洞预应力衬砌环锚锚索二次张拉施工技术［J］.水电能源科学，2015，33（7）：121-124.

［6］  曹瑞琅，王玉杰，汪小刚，等.无黏结预应力环锚衬砌力学特性原位加载试验研究［J］.岩土工程学报，2019，41（8）：1522-1529.

［7］  薛广文，曹国鲁，蔡俊伦，等.输水隧洞预应力混凝土衬砌锚具槽优化设计分析［J］.人民长江，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］皮进，王玉杰，齐文彪，等.无黏结环锚预应力混凝土衬砌张拉工艺研究［J］.水利水电技术（中英文），2018，49（7）：81-87.

［12］张威，余志强.闸墩预应力锚索张拉工艺控制浅析［J］.水利水电技术（中英文），2022，53（增1）：151-154.

［13］周建诚，张德锋，陆峰.上海轨道交通17号线西延伸工程先张法U型梁预应力张拉与锚下应力测试［J］.建筑结构，2023，53（增1）：1765-1770.

［14］林南昌，丁兆峰，陈舜东，等.瓯江特大桥悬浇施工过程斜拉索索力张拉控制技术［J］.铁道建筑，2019，59（4）：44-47.

［15］王建强，吕忠达，赵卓，等.预应力混凝土连续箱梁顶板早期裂缝控制研究［J］.铁道工程学报，2019，36（9）：43-48.

［16］熊学玉，沈昕，汪继恕.超长混凝土地下室墙体中预应力作用计算与分析［J］.建筑结构，2016，46（23）：85-90.

［17］刘新荣，刘永权，康景文，等.基坑锚索预应力损失规律及分步张拉控制措施研究［J］.岩土工程学报，2015，37（10）：1794-1801.

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

［19］中华人民共和国水利部.水工隧洞设计规范：SL 279-2016［S］.北京：中国水利水电出版社，2016.

［20］姚广亮，陈震，严振瑞，等.高内水压盾构隧洞预应力混凝土内衬结构受力分析［J］.人民长江，2020，51（6）：148-153.

［21］中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范：SL 191-2008［S］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［22］国家能源局.水电水利工程预应力锚固施工规范：DL/T 5083-2019［S］.北京：中国电力出版社，2019.

（编辑：胡旭东）

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