对钢衬应力影响比较大的是岩体的特性和初始缝隙,故设计过程中必须对这两个因素进行认真的分析。

(一)围岩单位抗力系数K0的影响分析

设有一地下埋管,其r1=200cm、δ=1.2cm、p=2MPa,则当Δ=0时K0分别等于零(围岩无抗力)及40MPa/cm(其对应的钢衬应力则由333MPa降为85.5MPa),因此,K0值对钢衬的应力分析非常关键。但工程设计中要准确选定K0值非常困难,因为岩体中常存在比较软弱的节理和裂隙,所以岩体本身并不是线弹性各向同性体。另外,在实验室中也无法准确确定岩体的参数,故岩体参数只有靠大规模现场试验或工程经验确定。实际工作中可以知道,现场试验成本高,隧洞线路较长,各部分的参数也不尽相同(另外,试验探洞的部位及荷载大小等都对结果有影响),故选用计算参数时要非常谨慎。在确定了岩体的弹性模量Er和泊松比μr后就可以由计算单位抗力系数K0了,即

(二)初始缝隙值对钢衬应力的影响分析

同样设地下埋管的r1=200cm、δ=1.2cm,p=2MPa,若K0=40MPa/cm,则Δ会由零变为1mm(对应的钢衬应力也会由85.5MPa增加到171MPa),可见,初始缝隙值Δ的变化很大,影响其大小的因素很多且相当复杂,不易准确确定。初始缝隙主要由以下3种缝隙组成。

(1)施工缝隙Δ0　回填的混凝土在凝固过程中释放出的水化热会使钢衬膨胀,混凝土凝固以后温度恢复正常则混凝土和钢衬均又会发生收缩,从而在钢衬和混凝土以及混凝土与岩石之间形成缝隙。施工缝隙的大小与混凝土的收缩和施工质量有很大关系(且在各工程和钢管的不同部位也都不相同),平洞和坡度较小的斜井在浇筑混凝土时其钢管两侧易于平仓振捣故回填混凝土的质量较易保证(但其顶、底拱部位易形成较大空隙,故施工缝隙会沿管周呈不均匀分布),故减小施工缝隙的有效措施是提高混凝土垫层的浇筑质量以及进行回填与接缝灌浆(一般情况下,若管外混凝土填筑质量很好并进行了认真的接缝灌浆其Δ0可取0.2mm)。

(2)岩石的塑性蠕变缝隙Δrc　由于岩石不是完全弹性体,在长期反复荷载作用下会有部分变形在卸荷后不能复原而形成残余变形(该残余变形在一定时间内会逐渐增大,其原因是岩体的节理和裂隙在加荷后闭合而卸荷后不能完全复原,这种残余变形称为塑性蠕变缝隙)。塑性蠕变缝隙的大小与岩体的破碎程度有关(完整岩体的残余变形很小。我国一电站埋管围石较好,建成后5年之内实测的钢衬应力基本没有变化),对于较破碎的岩体进行固结灌浆以封堵节理和裂隙能有效减小岩体的残余变形。日本东川电站的现场试验表明,岩体的残余变形和弹性变形间存在良好的相关关系,其残余变形可用弹性变形比值βr表示(该电站实测的βr=0.3～0.6),即

(3)温度收缩缝隙　钢管通水后因水温较低故钢管和围岩会冷却收缩从而与混凝土垫层间形成缝隙。在埋管水压试验稳压阶段的一定时间内钢衬应力会随时间逐渐增大就是由于钢衬和围岩因热交换逐渐冷却而导致的结果,钢衬的径向温降收缩计算公式为(www.daowen.com)

式中,αs和μs分别为钢材的线胀系数和泊松比;Δts为钢衬充水前后的温差。若施工季节选择不当Δst可以达到相当数值。围岩破碎区和开裂的混凝土衬圈温降后缝隙值会增加,其径向变位为

式中,和分别为围岩的线胀系数和岩壁充水前后的温差;为围岩破碎区影响系数(可按表4-8查取)。

表4-8　取值参考

实际计算中,总缝隙值取上述三种缝隙之和,即Δ=Δ0+Δst+Δrc。但在实际计算中,由于岩性比较复杂,围岩和混凝土衬圈收缩引起的缝隙值通常难以精确确定且数值不大,故一般可以忽略不计。