试验研究

穿黄盾构隧洞新型复合衬砌结构特性研究

钮新强

长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010

符志远

长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010

张传健

长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目“复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究”（2006BAB04A11）。

1 工作概况

穿黄工程是南水北调中线总干渠规模最大的交叉建筑物，深受专家们关注。在穿越黄河的建筑物型式审定前，对跨河渡槽方案和盾构隧洞方案均做了大量的研究工作，在审定为盾构隧洞方案后，近期又做了进一步的研究；在列为国家“十一五”科技支撑计划《复杂地质条件下穿黄隧洞关键技术》课题（以下简称《穿黄课题》）后，又结合工程建设条件，补充了研究工作，并开展了穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验研究。

1.1 近期研究工作

对2002年后的研究工作作了进一步补充和深化，主要包括以下内容：

（1）《南水北调中线穿黄渡槽和隧洞结构静动力分析研究与抗震安全评估》——中国水利水电科学研究院（2002年4月）。

（2）《南水北调中线穿黄工程隧洞结构内外衬间设软夹层方案抗震分析报告》——长江水利委员会长江科学院（2003年4月）。

（3）《穿黄隧洞盾构施工技术专题研究报告》——长江水利委员会长江勘测规划设计研究院（2002年6月）。

（4）《穿黄隧洞纵向变形三维非线性有限元计算分析》——长江水利委员会长江科学院（2004年6月）。

（5）穿黄隧洞结构分析研究报告——长江水利委员会长江勘测规划设计研究院（2004年6月）。

（6）穿黄隧洞管片接缝止水试验——长江水利委员会长江勘测规划设计研究院（2007年9月）。

1.2《穿黄课题》研究工作

由南水北调工程技术委员会办公室组织的南水北调工程若干关键技术研究与应用项目，是“十一五”国家科技支撑计划重大项目之一，该项目包含了“穿黄课题”，而隧洞复合衬砌结构特性研究则是“穿黄课题”的一个子题。重点是依托穿黄隧洞工程，对穿黄隧洞复合衬砌结构特性展开研究，探讨其结构型式、破坏机理和风险预防，以及有关工程应用的具体问题。以下是与本子题有关的重要研究成果。

（1）穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验地下模型试验研究报告——长江水利委员会长江勘测规划设计研究院（2010年8月）。报告中地下模型仿照实际工程大小设置，洞顶以上埋深30余m，其中分设双层衬砌有垫层试验段和无垫层有插筋试验段。试验在洞外水土条件仿真、洞内通过高位水箱充水，形成定水头加压的条件下进行。所取得的大量试验成果表明，双衬有垫层方案和无垫层有插筋方案，技术上均属可行。2010年9月，南水北调中线干线工程建设管理局（以下简称中线建管局）组织专家审查了试验研究报告，确认完成了各项试验内容，达到了预期目标，并认为试验目的明确，设计合理，过程控制严谨，分析计算方法科学且针对性强，所获数据资料翔实，成果可靠，说服力强，可作为设计和施工方案优化的基础。

（2）穿黄工程穿黄隧洞衬砌设计变更报告——长江水利委员会长江勘测规划设计研究院（2010年10月）。进入内衬施工阶段，在实施隧洞双层衬砌有垫层方案时，垫层铺设若未能达到设计要求，将影响工程质量和工程进度，建设单位要求设计单位对双层衬砌取消垫层方案进行研究。基于穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验成果，研究表明：双层衬砌有垫层方案是一个着眼于工程安全、技术可靠的方案；同时也表明无垫层方案，通过在内、外衬间加设插筋，同时配置相应的防排水措施，技术上也是可行的。

（3）穿黄隧洞预应力衬砌结构联合受力三维非线性有限元分析——长江水利委员会长江科学院（2010年11月）。采用考虑接触问题的三维非线性有限元法，对联合承载方案的衬砌结构，据实模拟外围水土压力、内水压力、预应力荷载，并对内水外渗全水头作用在内外衬界面的极端情况进行模拟计算，展示了隧洞衬砌结构受力状态，验证了设计变更报告提出的穿黄隧洞双层复合衬砌无垫层方案的技术可行性。

（4）南水北调中线一期穿黄工程穿黄隧洞衬砌结构选型与设计计算研究——同济大学隧道及地下工程研究所上海同济科技开发有限公司（2010年12月）。

2 复合衬砌结构特性研究要点

2.1 复合衬砌结构的提出

穿黄隧洞地处黄河典型游荡性河段，位于地震区，地质条件复杂，经论证认为，不宜采用深埋隧洞穿越黄河，并推荐采用盾构隧洞方案。鉴于穿黄隧洞为穿越黄河河床覆盖层的大型压力输水隧洞，除需承受外部水、土荷载外，还需承受大于0.5MPa的内水压力，由盾构施工过程形成的衬砌为拼装式结构，目前尚无大型压力水工隧洞应用实例；为此需要在拼装式结构内再修建一层衬砌，用以承受内水压力，并满足过流对平整度的要求，因而提出双层复合衬砌结构型式。

2.2 复合衬砌结构研究要点

对于穿黄隧洞双层复合衬砌结构，从应用角度，研究要点可归纳如下。

（1）外衬作为拼装式结构，通常采用普通钢筋混凝土结构，在此前提下，内衬结构宜取何种合适的结构型式。

（2）内衬与外衬的接触关系及其工作原理。

（3）复合衬砌的破坏机理。

（4）风险预防。

（5）结构型式优化。

3 复合衬砌结构型式

对于穿黄隧洞复合衬砌的内衬结构，研究过 3种结构型式。

3.1 第1种结构型式

此种结构型式外衬与内衬均为普通钢筋混凝土结构，其中分为两个方案。

（1）方案1。外衬管片厚度为40cm，内衬厚度为45cm，内衬施工前外衬单独承载，在地层和外衬变形基本稳定后进行内层衬砌施工，运行期内、外衬联合受力范围由内、外衬叠合面拉应力和剪应力条件决定。

（2）方案2。以外衬为主受力结构，其中外衬管片厚度为60cm，内衬厚度为20cm，由于内衬厚度很薄，主要起修正盾构施工“蛇行”和运行减糙，以及提高外衬管片耐久性、防水性等作用。内衬施工前由外衬单独承载，内衬形成后，与外衬联合受力，其联合受力范围由叠合面拉应力和剪应力条件决定。

3.2 第2种结构型式

此种结构型式的外衬为钢筋混凝土管片，内衬为预应力混凝土结构。根据内衬与外衬分界面的接触关系，分别对以下3个方案进行研究，方案编号顺接为方案3～方案5。

（1）方案3。内衬与外衬由防、排水垫层分隔，按此建立计算模型。外衬自重和隧洞外部水土荷载由外衬单独承载；内衬形成后，内衬自重、预应力和运行期内水压力主要由内衬承担。拟定的管片厚度为40cm，内衬厚度为45cm，软垫层厚10mm，内衬预应力采用HM锚具，由后张集束钢绞线（简称锚索）提供，单束锚索由12根φj15.2（1860级）的钢绞线集束而成，锚索间距原定为40cm，基于穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验研究成果，经设计优化，调整为45cm。

（2）方案4。外衬和内衬结构布置与方案3相同，不同的是内、外衬界面不再设置垫层，而于外衬手孔设置插筋与内衬相连；内衬混凝土直接浇筑在外衬表面，对于因现浇混凝土收缩，在分界面可能形成的缝隙，待预应力张拉后采用灌浆处理。该方案内衬施工前，外衬单独承载，其后内、外衬共同工作。

（3）方案5。外衬和内衬结构布置与方案3相同，不同的是，内、外衬界面不再设置垫层，而于外衬手孔设置插筋与内衬相连；内衬混凝土直接浇筑在外衬表面，对于因现浇混凝土收缩，在分界面可能形成的缝隙，不作接缝灌浆处理，留作排水通道，并设置排水带收集渗水，再排入车道平台下方的排水管。该方案内衬施工前，外衬单独承载，其后内、外衬共同工作。

（4）双层复合衬砌结构布置。方案3、方案4、方案5外衬与内衬结构相同，其布置说明如下：

1）外衬管片环。内径为7.9m，外径为8.70m，衬厚40cm，由7块预制钢筋混凝土管片拼装组成，管片环单环宽1.6m，混凝土强度等级为C50，抗渗等级为W12。

2）内衬。内径为7.0m，外径为7.90m，衬厚45cm，为后张法环锚预应力钢筋混凝土结构，标准分段长9.6m，混凝土强度等级为C40，抗渗等级为W12，要求内壁糙率系数n≤0.0135。预应力通过张拉锚索提供，单束锚索由12根φj15.2的钢绞线集束而成，锚索间距为45cm，为锚索张拉提供空间的预留槽分高、低、左、右4列布置。

3.3 第3种结构型式

此种结构型式外衬为钢筋混凝土管片环，内衬为钢板结构。在子题1中曾研究过如下两类方案。

第1类为钢板钢筋混凝土方案，钢板在内圈，钢板与外衬之间充填混凝土，并在混凝土内布置适量的钢筋。

第2类为明钢管方案，钢管与外衬分离，钢管支承在支墩或连续管座上，并将其结构自重和其上荷载传递到外衬管片环上。根据此类方案的布置特点，称为外衬内置明钢管方案或简称为明钢管方案。图1为外衬内置明钢管方案断面图。

在内衬为钢板结构的两类方案中，第2类明钢管方案工程量较小，并能适应黄河冲淤变化引起的纵向变形，选为代表与预应力复合衬砌结构比较。因长隧洞焊接施工条件恶劣，钢管就位与混凝土施工困难，巡视通道宽仅56.2cm，防腐工作量大，运行管理条件差，且不能按预定工期完工，投资较大等原因而放弃。

4 复合衬砌结构分析

4.1 分析原则

（1）隧洞结构安全等级按1级建筑物考虑。

（2）限制外衬结构变形和接缝张开量，以满足正常使用与防水要求，其控制指标为：衬砌圆环直径变形不大于6‰D（D为隧洞直径），管片接缝张开不大于6mm。

（3）对于普通钢筋混凝土结构，应满足承载要求和限裂要求；对于预应力钢筋混凝土结构，要求在基本荷载组合下，满足全截面受压要求；在特殊荷载组合下，允许出现拉应力，但应满足抗裂要求。

4.2 分期荷载组合

根据穿黄隧洞的施工过程及运行条件，采用分期应力计算，除对隧洞结构按各施工及运行阶段作有限元模拟外，还视不同方案将荷载分为两期（内衬为钢筋混凝土结构）或三期（内衬为预应力钢筋混凝土结构）加载，详见表1。

4.3 分析方法

结构计算分别采用三维非线性有限元和空间杆系有限元法进行，要点如下：

（1）对于外衬拼装式管片接头采用接头分析模型，接头衬垫采用弹簧模拟，只承压，不抗拉，螺栓预紧力以温度荷载模拟。

（2）对于联合受力方案，先按联合受力计算，再按内、外衬分界面拉应力和剪应力条件复核，修正联合受力范围。

（3）为充分反映地层与结构之间的相互作用，地层约束以弹性链杆模拟，按只承压，不抗拉的原则，根据计算情况确定约束范围。

4.4 结构分析

考虑到工程习惯，以下主要按平面杆系有限元法计算成果进行结构分析。

（1）方案1、方案2、方案3。在各种工况下，3个方案的外衬均可满足承载和抗裂要求，且钢筋配置合理。对于内衬，方案1和方案2配筋受第3期2工况控制，为满足限裂要求，方案1内衬钢筋含量高达207kg/m3，方案2更高达272kg/m3。相应钢筋配置密度很大，浇筑施工困难，将影响混凝土的质量，对结构长期正常使用不利。方案3通过对内衬施加预应力，在基本荷载组合下，内衬全截面受压，满足一级裂缝控制要求，在特殊荷载组合下，满足二级裂缝控制要求，有利于结构长期正常使用。经结合施工技术、经济条件比较，在初步设计阶段便放弃方案1、方案2，而选用方案3。

（2）方案3、方案4、方案5。在开展穿黄课题研究工作期间，正处穿黄隧洞内衬施工准备阶段，施工单位反映方案3的垫层施工存在困难，难以达到设计要求，直接影响内衬结构质量与安全，为此提出了方案4和方案5。方案4、方案5与方案3的区别主要在于内衬与外衬界面的接触关系。方案3有垫层分隔，内衬与外衬呈单独受力状态；方案4、方案5无垫层分隔，且有插筋连为整体，内衬与外衬呈联合受力状态。

地下模型仿真试验曾对有垫层方案就排水不畅工况进行了模拟，结果表明，当洞内充水达到设计水头51m后，内侧渗压水头为30.14～30.32m，也仅仅是排水不畅，内侧排水层水压便很快升高到设计水压的0.6倍，若排水层完全堵塞，内侧渗压水头将与洞内水头相当，此即为表1中的第3期3工况。

第3期3工况计算表明，由于全水头内水压力作用在外衬上，对外衬受力与变形十分不利。对于方案3，管片纵缝呈张开趋势，但由于有PE防水膜的阻隔，洞内外渗的高压水不会直接与管片接缝接触，即使遭遇河床冲淤或地震情况，也不会因此诱发洞外围土渗透破坏。对于方案4、方案5，两方案在内衬与外衬之间通过加设插筋，并利用管片上手孔回填混凝土形成剪力键，实现联合受力，虽然管片总体受拉，但大部分部位满足抗裂要求，个别部位亦满足限裂要求；由于外衬管片接缝始终处于闭合状态，虽无PE膜隔水，同样满足防水要求。

5 复合衬砌破坏机理与风险预防

5.1 衬砌破坏机理

穿黄隧洞为穿行于河床覆盖层的大型有压水工隧洞，至为重要的是要防止洞内高压水从管片接缝和内衬变形缝外渗，诱发洞外围土渗透破坏，这一要求对于所研究的各种复合结构均是共同的。在以下破坏机理分析中不再重复。

5.1.1 第1种结构型式破坏机理

方案1与方案2均为双层普通钢筋混凝土结构，此种复合结构型式的破坏机理主要表现为以下两方面。

（1）承载破坏。对于双层衬砌均为普通的钢筋混凝土结构，关键在于能否成为叠合结构。若叠合面全部或大部因拉应力或剪应力超限，结构失去整体承载能力，便意味着结构破坏（若单层衬砌已满足承载要求，只是按双层布置，则从结构受力角度不属于此种结构型式）。

（2）贯穿裂缝。即使叠合面完好，可以作为一个整体结构，但若双层衬砌厚度或配筋不当，并影响混凝土质量，产生贯穿性裂缝，仍不满足正常使用要求，甚至造成内水外渗诱发洞外围土渗透破坏。

5.1.2 第2种结构型式破坏机理

第2种结构型式外衬为拼装式钢筋混凝土结构，内衬为预应力钢筋混凝土结构，此种复合结构只要预应力设计合理，自身承载与正常使用一般不会有问题，已为穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验所证实。因此关键在于预应力度以及内衬与外衬的接触关系是否满足设计要求。

（1）对于内衬，无论有垫层方案或无垫层有插筋方案，如果内衬预应力未达到设计要求的预应力度，就有可能产生裂缝，不能满足正常使用要求。

（2）对于外衬，以方案3为代表的有垫层方案，若出现第3期3的极端工况，外衬将受全水头内水压力作用，截面受拉，外衬环体和接缝呈外张变形，若接缝螺栓应力超限破损，单独工作的外衬亦会因此而破坏；若管片接缝外张变形超限，PE膜又失去隔水功能，发生内水外渗，则存在诱发围土渗透破坏的隐患。

（3）以方案4、方案5为代表的无垫层有插筋方案，若出现第3期3的极端工况，借助插筋和混凝土剪力键（剪力筋），内衬分担了作用在外衬的内水压力，大大改善了外衬受力与变形。但若发生插筋腐蚀，联合受力失败，亦会出现类同有垫层方案3的工作状态和可能的破坏形式。

5.2 风险预防

针对上述可能的破坏形式，结构设计应采取相应的风险预防措施。

5.2.1 内衬分段接缝检验

内衬分段接缝是内水外渗的薄弱环节，应布置多道止水，如从内到外依次设置缝口聚硫密封胶、遇水膨胀橡胶条和紫铜止水片，并要求对内衬每道变形缝进行压水试验，检验渗漏情况，经检验合格后，方可投入工程运行。

5.2.2 完善管片拼装工艺

完善管片拼装工艺，满足规范对错台的要求，确保管片正确拼接，止水可靠。

5.2.3 提高叠合面的黏结强度

对于第1种复合结构型式，除了合理选定内、外衬厚度和配筋外，应注重提高叠合面的黏结强度，可以考虑选用以下措施：

（1）加糙。采取凿毛、喷砂，或通过模板设计使管片内壁面具有榫槽相间外形。

（2）强化连接措施。两层衬砌加设联系筋，以及手孔回填混凝土形成剪力键。

（3）提高界面黏结性能。内衬混凝土浇筑前，在管片内壁面涂界面胶。

5.2.4 完善预应力工艺和界面措施

对于第2种复合结构型式，应采取如下措施：

（1）确保内衬预应力度满足设计要求，施工时应注意以下几点：①防止波纹管在预应力张拉前锈蚀，以免加大摩阻系数，影响预应力效果；②波纹管埋设应满足设计线型要求；③锚索张拉应达到设计要求的控制张拉力；④做好预留槽封填和波纹管孔道真空灌浆，确保预应力的耐久性。

（2）加设插筋，并利用手孔回填混凝土形成剪力键。

（3）对插筋应预留锈蚀厚度，使其在服务设计基准期内满足设计要求。

5.2.5 安全监测

设置必要的安全监测设施，包括钢筋计、应变计、渗压计、测缝计、锚索测力器等，跟踪监测隧洞运行工作情况，发现异常时及时检修处理。

6 工程应用

如上所述，在初步设计阶段，经与方案1和方案2比较后，推荐采用方案3。

由于预应力结构与拼装式结构双层复合的新型衬砌型式首次应用于盾构隧洞工程，备受专家们关注。为验证设计、优化设计、完善施工工艺，进行了穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究，并取得了完全成功。

仿真模型试验表明，预应力内衬与拼装式外衬双层复合衬砌型式技术上可行。基于仿真试验成果，并由于实际施工的需要，应建设单位要求，对经过仿真试验的无垫层有插筋方案作了进一步的研究，提出了方案4和方案5，两个方案除在内衬与外衬之间加设插筋外，还利用手孔回填混凝土形成剪力键的技术措施，以加强内衬与外衬的整体作用。两者的不同仅在于对界面内水外渗的处理措施，方案4通过对界面接缝灌浆，采取堵的措施，加强内衬防渗能力；方案5则通过加设排水带，采取排的措施，加强界面的排水能力。两方案技术条件无明显不同，均满足设计要求，而方案5施工较方便，有利于加快施工进度，而且施工质量容易保证，投资亦较省，适合在工程中采用。

综上所述，通过对穿黄隧洞复合衬砌结构特性的研究，以及穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究的验证，研究成果已应用到穿黄隧洞工程中。

7 创新点

预应力盾构隧洞作为新型的结构型式，其创新点表现在以下几个方面：

（1）盾构隧洞预应力复合衬砌的外衬为拼装式管片环，由盾构掘进施工时完成，内衬为预应力钢筋混凝土结构，此种预应力盾构隧洞结构型式在盾构隧洞工程中尚属首例，为创新型结构。

（2）此种预应力盾构隧洞复合衬砌结构通过了隧洞衬砌1∶1仿真试验，创新型结构特性得到了验证。而仿真模型试验规模之大、仿真程度之高位居国内水利行业前列。

（3）隧洞外衬由7块管片拼接而成，为模拟管片环接头的工作特性，建立拼装式管片结构接头计算模型；并通过分析外衬与柔性土之间的关系，建立外部土体与外衬的相互作用模型。其数学模型分析研究成果在隧洞衬砌1∶1仿真试验中亦得到验证。

（4）隧洞内衬为预应力混凝土结构，通过1∶1仿真模型试验，对厚度仅为45cm的薄壁衬砌，按锚索间距40～45cm，成功地实施了单索2250～2500kN级的张拉，为衬砌提供了可靠的预压应力，大大提升了隧洞衬砌环锚预应力技术。

（5）对于位于砂性土中的水底水工压力隧洞，为防止高压内水外渗，造成洞外围土渗透破坏，通过数学模型的研究，并取得仿真模型试验的依据，探讨了两种复合结构的设计原理：

1）在内衬与外衬复合衬砌中设置防排水垫层，充分排放洞内渗水，相应在排水不通畅的最不利情况下，由于有防水层相隔，避免高压渗水与拼装管片接缝直接接触，达到防止内水外渗的目标。

2）通过在内衬与外衬之间加设插筋，并利用手孔回填混凝土形成剪力键的技术措施，使内衬与外衬叠合为一整体，使外衬与内衬一起接受锚索张拉所形成的预压应力，并共同分担内水压力，内衬得以实现全截面受压，避免裂缝的出现，外衬则在插筋作用下，受力与变形条件得到改善，可以使拼装接缝始终处于闭合状态，亦可达到防止内水外渗的目标。

（6）提出的预应力复合衬砌设计原理，以及预应力复合衬砌在南水北调中线穿黄工程穿黄盾构隧洞中成功应用，既确保了工程安全，同时也提供了一种新型预应力盾构隧洞结构型式，为压力输水隧洞设计开辟了新途径，具有明显的社会效益。