锚具槽位置变化对隧洞混凝土衬砌受力性能的影响

 曾  强

 （辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳  1101 79）

【摘  要】  本文以大伙房水库输水（二期）工程中抚顺段为例，分析隧洞喷锚支护和预应力环锚混凝土衬砌工程锚具槽设置位置的不同对衬砌内部应力的影响，综合考虑设计施工各方面因素，设置相对合理的锚具槽夹角，以控制衬砌内部应力，减少应力变形。

【关键词】  输水隧洞；锚具槽位置；衬砌受力；影响

中图分类号：TV672+．1文章编号：1005-4774( 2016) 03-0052-04

 大伙房水库输水（二期）工程，是向抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、盘锦、营口六座城市供水的输水工程。输水线路总长253km，其中抚顺段以隧洞为主，隧洞长29. 10km，引水规模613万m3/d。输水隧洞级别为I级，断面为直径6m的圆形。施工采用钻爆法，围岩开挖后即进行喷锚支护和预应力环锚混凝土衬砌。

1  衬砌相关参数

 隧洞预应力混凝土衬砌及预应力混凝土强度等级均为C40，抗渗等级为W12，轴心抗压强度标准值f c k= 27. 00 M Pa、设计值f c=19. 50MPa，混凝土轴心抗拉强度标准值f t k=2. 45 M Pa，弹性模量E e=3.25x104 M Pa，泊松比v=0.167。

 预应力钢筋采用高强低松弛1 860级无黏结预应力钢绞线，张拉控制应力σcon=0. 75fprk=1395MPa。锚具槽口采用具有一定膨胀性的混凝土回填，膨胀对槽口周围自由混凝土产生与没有槽口处的管壁等同的预应力。普通钢筋采用标准热轧Ⅱ级钢筋。2锚具槽位置影响因素

 在进行环锚混凝土衬砌过程中，围岩弹性抗力系数的取值对预应力隧洞受力影响巨大。试验段实测钢绞线摩擦系数与规范给定值有较大偏差，影响预应力钢筋的配置。通过计算，并结合围岩的实际开挖状况、外水压力等，改变围岩弹性抗力系数分别为1 M Pa/cm、1. 50MPa/cm、2M Pa/cm和2.50MPa/cm。确定不同弹抗下实际需要配置的预应力钢筋和普通钢筋用量；确定预应力钢筋单层双圈和双层双圈布置对隧洞衬砌内力分布的影响，进一步明确预应力隧洞400和450槽口时的内力分布。

3锚具槽位置变化对衬砌受力性能的影响

3.1  隧洞衬砌受力性能对比分析计算参数

 预应力衬砌混凝土在其他条件不变的前提下，改变锚具槽的相对位置，由于有效预应力综合作用效果的差异，预应力衬砌的受力性能必然受到相应的改变。

 针对围岩弹性抗力系数K=1. 5MPa/cm，开展锚具槽位置改变对预应力衬砌受力性能影响的研究。选取两个不同的相邻锚具槽夹角：800和900。相邻锚具槽夹角为800时，预应力钢筋用量取4×ɸ15. 24@ 300单层双圈、环锚，预应力筋摩擦损失取μ=0. 06，K=0. 004。相邻锚具槽夹角为900时，除预留槽口位置不同外，其余均与上述相邻锚具槽夹角为800时相同。

 普通钢筋的用量及布置均与原设计相同。

3.2相邻锚具槽夹角800与900时预应力衬砌平面有限元对比分析

3.2.1  基本荷载组合改变锚具槽位置预应力衬砌受力性能对比

 a．基本荷载组合作用下相邻锚具槽夹角800与900时预应力衬砌混凝土径向应力均较小（见表1）。

 b．衬砌混凝土上半圆环向压应力分布较为均匀，在锚具槽和衬砌底部环向应力分布均匀性较差且应力变化较为剧烈。上半圆环顶部衬砌内表面压应力较外表面要小，相邻锚具槽夹角900时比800时变化范围稍大；在30拱腰处则外表面环向压应力较内表面要小，

两者基本一致。相邻锚具槽夹角800时，锚具槽内外侧最大、最小环向压应力峰值位置低于相邻锚具槽夹角900时；相邻锚具槽夹角800的预应力衬砌混凝土环向应力优于相邻锚具槽夹角900的（见表2、图1）。

  c．相邻锚具槽预应力衬砌的预应力钢绞线拉应力两者差别不大（见表3）。

 d．衬砌结构整体最大位移均位于衬砌结构顶部，相邻锚具槽夹角800与900时预应力衬砌数值分别为2. 70mm和3.17 mm，相邻锚具槽夹角900时较大（如图2所示）。

 由上述结果可知，在上半圆环，相邻锚具槽夹角800与900时，预应力衬砌混凝土环向应力差异不大；在下半圆环，相邻锚具槽夹角800时，预应力衬砌混凝土的受力明显，优于相邻锚具槽夹角900，且变形较小。

3.2.2施工期改变锚具槽位置预应力衬砌受力性能对比

 a．施工期相邻锚具槽夹角800与900时，预应力衬砌混凝土径向应力均较小（如表4所列）。

 b．施工期相邻锚具槽夹角800与900时，预应力衬砌上半圆环混凝土环向应力分布基本一致；衬砌顶部混凝土内表面和外表面环向应力差别不大；在300拱腰处管壁混凝土环向应力存在峰值，且外表面环向压应力小于内表面；相邻锚具槽夹角800与900时，预应力衬砌底部混凝土环向应力存在峰值，且相邻锚具槽夹角800时，应力沿厚度变化较为舒缓；相邻锚具槽夹角800时，锚具槽内外侧最大、最小环向压应力峰值位置低于相邻锚具槽夹角900时；相邻锚具槽夹角800时，预应力衬砌混凝土环向应力优于相邻锚具槽夹角900的环向应力（见表5、图3）。

 c．相邻锚具槽预应力衬砌的预应力钢绞线拉应力两者差别不大（见表6）。

  d．衬砌结构整体最大位移均位于衬砌结构顶部，相邻锚具槽夹角800与900时预应力衬砌数值分别为3. 33 mm和3.80mm，相邻锚具槽夹角900时较大（如图4所示）。

 由上述结果可知，上半圆环相邻锚具槽夹角800与900时，预应力衬砌混凝土环向应力基本一致；下半圆环相邻锚具槽夹角800时，预应力衬砌混凝土的受力略优于相邻锚具槽夹角900时，且变形也较小。但过小的锚具槽夹角将导致衬砌底部预应力钢筋线型的叠加，施工时容易产生混凝土浇注不密实现象。

4结论

 经对比分析，锚具槽夹角800和900时，预应力衬砌上半圆环环向压应力基本一致；下半圆环的环向应力相对锚具槽夹角800时，预应力衬砌略优于相对锚具槽夹角900时。考虑施工因素，相邻锚具槽夹角过小，将导致衬砌底部预应力钢筋线型的叠加，施工时混凝土容易产生浇筑不密实现象，从而影响衬砌的耐久性能。综合考虑设计施工，取用相对锚具槽夹角800是较为合理的。