盾构高压输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构研究

李志云，杨光华,，刘清华，贾 恺，徐传堡，姜 燕

(1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省岩土工程技术研究中心，广东 广州 510635；3.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

常规盾构隧道工程中，隧洞衬砌结构较为简单，一般仅由盾构管片组成，主要用来承担隧道外的水土压力，这种条件下隧道衬砌结构的受力状态明确，许多学者已做了很多相关的研究[1-5]。但用于承受内水压力或内外水土压力的隧洞衬砌结构型式及其应力状态则相对研究较少，尤其是在高内水压力情况下采用何种结构型式，其受力特征如何，目前仍鲜有涉足。

当前用于承受内水压力或内外水土压力的盾构隧洞衬砌结构型式主要有以下几种[6]：①单层衬砌结构；②叠合式双层衬砌结构；③复合式双层衬砌结构；④分离式双层衬砌结构。第一类单层衬砌结构，衬砌仅由盾构管片组成，用以承担内外水土压力；第二类叠合式双层衬砌结构，由盾构外衬与二衬紧密结合而成，两者共同承担内外水土压力，内外衬间可以传递拉压力及剪力；第三类复合式双层衬砌结构，结构类似第二类结构，但是内外衬仅传递压力；第四类分离式双层衬砌结构，内外衬之间设立隔离层，外衬承担外水土压力，内衬承担内水压力。近年来国内外有不少工程采用盾构隧洞衬砌结构型式进行有压输水如埃及的穿越苏伊士运河输水隧洞工程[7]，我国的南水北调的穿黄工程[8-9]，南水北调团九工程[10]，南水北调配套工程南干渠工程[11]，上海青草沙源水供水工程[12-13]和广州的西江引水工程[14]等。正准备建设的珠江三角洲水资源配置工程拟采用盾构隧洞的方式建设输水管道，其最高内水压力达到了1.1 MPa，是目前国内采用这种隧洞内压最高的，在世界上也是少有的，其初步考虑采用类似广州西江引水工程的结构形式，用钢管内衬单独承担内水压力，盾构管片承担外水土荷载，这是受力最安全的结构型式。目前高内水压力的输水盾构隧洞基本是采用这种内外衬独立承担的最安全模式，但不一定是最合理的。

为此，本文基于分离式双层衬砌结构,提出一套盾构输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构，该种衬砌结构包括：盾构管片外衬、钢管内衬、内外衬间不同填充程度的自密实混凝土及软垫层。依托珠江三角洲水资源配置工程的地质情况与设计资料，利用ABAQUS有限元分析软件分析新型半埋式钢管复合衬砌结构在不同自密实混凝土填充程度，不同软垫层位置及厚度等条件下，钢管内衬及自密实混凝土的应力、外衬盾构管片的变形。根据计算结果，确定复合衬砌结构的合理性，并为高压输水隧洞结构设计提供一种可行方向。

1 新型半埋式钢管复合衬砌结构建立及计算工况

1.1 新型半埋式钢管复合衬砌结构建立

盾构输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构，不同于常规分离式双层衬砌结构，内衬钢管与外衬盾构管片间虽然隔离开，但是钢管与盾构管片间自密实混凝土并不填充满，而是采取半埋式，即不完全填充，在保障外衬承担外水土压力，内衬承担高内水压力的同时，方便施工，且利于排水。其结构包括：盾构管片外衬、钢管内衬、内外衬间不同填充程度的自密实混凝土及软垫层。结构型式示意见图1。

为了解半埋式钢管复合衬砌结构的适用性，设计了4种半埋式结构：1/3包围自密实混凝土结构、1/2包围自密实混凝土结构、2/3包围自密实混凝土结构、全包围顶部露空自密实混凝土结构。

1.2 新型半埋式钢管复合衬砌结构计算工况

依托珠江三角洲水资源配置工程的地质情况与设计资料，新型半埋式内衬钢管计算基于外径6 m，过水内径4.8 m的输水隧洞，内外衬之间填充自密实混凝土，隧洞埋深约40 m，设计最大内水压力为1.1 MPa，钢管壁厚为16 mm，隧洞上覆粉质黏土及岩层，其中土层模量为30 MPa，覆盖层围岩最小厚度约1倍洞径，最小模量为2 GPa，计算内容见表1所示。

鉴于内外衬分别受力，且盾构管片承担外水土压力的计算理论较为成熟，故本次计算不考虑外水土荷载，仅分析内水压力对复合结构的影响，考虑上覆地层的主要目的是分析复合结构变形及应力对于地层抗力的敏感性。

基于图1结构示意与上述分析工况，采用ABAQUS有限元分析软件，建立复合衬砌结构计算模型见图2所示。

2 新型半埋式钢管复合衬砌结构计算结果与常规结构计算结果对比

2.1 新型半埋式钢管复合衬砌结构计算参数

根据杨光华[16]等人的理论，利用刚度等效，将盾构管片等效成一个均质圆环，圆环刚度计算公式如下：

(1)

(2)

式中ks，kF，kL，kB为接缝处螺栓刚度、封顶块刚度、连接块刚度、标准块刚度；Ac为管片横截面积；nJ，nF，nL，nB为接缝个数，封顶块个数，连接块个数，标准块个数；K为盾构管片总刚度；E为盾构管片等效模量；L为盾构管片中性轴周长。

盾构管片尺寸及参数：C55混凝土Ec=35.5 GPa，管片宽B=1 500 mm，厚H=300 mm，Ac=450 000 mm2。螺栓计算参数：弹性模量Es=200 GPa，As=182.25π mm2，螺栓水平投影长度Ls=488.61 mm。接缝与管片个数：nJ=6，nF=1，nL=2，nB=3。

根据公式(1)(2)，外衬等效弹性模量为Ec=2.98 GPa。

根据珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞设计资料，隧洞内衬钢管采用Q345C钢管，根据《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591)[17]，Q345C钢管屈服强度335 MPa，σs使用值为329 MPa，根据《水电站压力钢管设计规范》(SLT 281—2003)[18]，对于明管，许用应力[σs]=0.55σs=181 MPa。根据杨光华[16]盾构管片允许径向变形2 mm。

计算参数见表2所示。

其中p为内水压力；t为钢管壁厚；E1为土层模量；E2为岩层模量；Ec为外衬盾构管片模量；Es为内衬钢管模量；Ez为自密实混凝土模量；[σs]为钢管许用拉应力；[σz]为自密实混凝土许用拉应力。

2.2 新型半埋式钢管复合衬砌结构计算结果

以第二部分计算内容,软垫层位于自密实混凝土内侧1/3包围自密实混凝土复合衬砌结构计算结果为例。计算结果见图3～5。

将第一部分，第二部分1/3包围自密实混凝土结构、1/2包围自密实混凝土结构、2/3包围自密实混凝土结构、全包围顶部露空自密实混凝土结构及常规分离式双层衬砌结构的主要计算结果，绘制成表3～8和曲线图6～11所示。

2.2.1全土层计算结果

2.2.2隧洞顶部1倍洞径覆盖岩厚计算结果

2.3 小结

1) 根据计算结果

外覆土层岩性对钢管应力影响不大，自密实混凝土包裹范围在1/2～2/3范围内钢管应力大于全包围及常规复合结构状态，但是16 mm钢管依旧可以满足1.1 MPa内水压力要求；

2) 根据自密实混凝土应力计算结果

不加软垫层或软垫层敷设于自密实混凝土外侧，承担1.1 MPa内水压力，自密实混凝土会开裂；

软垫层敷设于自密实混凝土内侧，承担1.1 MPa内水压力，半埋式自密实混凝土结构(1/3～2/3包裹范围)混凝土不会开裂；

3) 根据盾构管片变形计算结果

输水管道外覆地层对盾构管片变形影响较大，覆盖1 d围岩(模量2 GPa)可以保证盾构管片变形满足要求。

3 结语

本文基于分离式双层衬砌结构，提出了一套盾构输水隧洞新型半埋式钢管复合衬砌结构，其结构方式为：盾构管片为外衬，钢管为内衬，内外衬间用不同填充程度的自密实混凝土，钢管内衬外表面设置软垫层。这种结构在保障外衬承担外水土压力，内衬承担高内水压力的同时，方便施工，且利于排水。

根据有限元计算结果，在一定条件下，半埋式自密实混凝土结构(1/3～2/3包裹范围)可以有效承担高内水压力，同时保障填充自密实混凝土不会开裂，说明这种结构具有一定的可行性，可为高压输水隧洞设计提供参考。