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水 利 学 报

２０２３年 １月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 １期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０１ － ００５４ － １４

穿越城区隧洞分离式衬砌承载机理及性能优化研究

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苏 凯 １，２，３ ，陶 军 ，徐振东 ，王博士 ，朱洪泽 １
（１．武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２；
２．武汉大学 水工岩石力学教育部重点实验室，湖北 武汉 ４３００７２；
３．海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室（武汉大学），湖北 武汉 ４３００７２）

摘要：近年来我国兴建的穿越城区引水隧洞工程采用了一种新型分离式衬砌，但其承载机理尚不够明晰。以某水
资源配置工程中穿越城区的 ＴＢＭ施工输水隧洞为对象，建立输水隧洞分离式衬砌整体三维有限元数值模型，分
析了衬砌的变形、受力和承载比等特征。结果表明：设计内压作用下，钢衬和自密实混凝土径向紧密贴合，排水
板铺设范围内两者径向变形明显大于管片，排水板铺设范围外三者径向同步变形，钢衬应力水平低且分布极不均
匀，管片应力超过抗裂限值，内水压主要由围岩承担，钢衬承载比例明显低于预期；降低钢衬 － 自密实混凝土界
面、自密实混凝土－ 管片界面的摩擦系数，均能使钢衬应力分布的均匀性增加，有利于钢衬承载性能的发挥，且
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对管片抗裂有利；提高排水板厚度与综合模量比值 ｄ?Ｅ，可以提升钢衬承载比，控制 ｄ?Ｅ在 １２．４～４５．１ｍｍ ?Ｎ范围
内，可以满足钢衬容许应力和管片抗裂设计的要求，同时使分离式衬砌钢衬主要承担内水压的设计理念得以实现。
关键词：穿越城区输水隧洞；分离式衬砌；排水板；承载机理；承载比
中图分类号：ＴＶ３１４ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０３３７
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

隧道（洞）掘进机（ＴｕｎｎｅｌＢｏｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，ＴＢＭ）施工具有安全、高效、优质、经济等优点，成为
了深埋长隧道（洞）的主流施工方法。目前用于承担外部或内外部荷载的 ＴＢＭ隧道（洞）衬砌结构主要
发展出以下 ４类形式：（１）单层衬砌结构 ［１ － ２］ 。仅由单层 ＴＢＭ 管片组成，其受力机理十分明确，在城
市地铁隧道、输水隧洞工程中被广泛采用；（ ２）复合式双层衬砌结构 ［３ － ４］ 。ＴＢＭ 管片作为外衬，与内
衬紧密贴合，在结合面可以产生相对滑动和脱离；（３）叠合式双层衬砌结构 ［５ － ６］ 。ＴＢＭ 管片作为外衬，
与内衬采取措施紧密结合，在结合面可以传递拉压力和剪力；（ ４）组合式双层衬砌结构 ［６ － ７］ 。内外衬
之间铺设软垫层，形成内外衬分别承担内水压力和外部水土压力的受力模式。随着我国南水北调配套
隧洞工程、广深港狮子洋隧道工程等一批隧道（洞）工程的修建，针对上述 ４类隧道（洞）衬砌结构，相
关学者进行了大量研究 ［１ － ９］ 。
为适应穿越城区输水隧洞对供水水质和地下水污染影响的严格要求，减小施工对沿线造成的影
响，以及为抵抗较大的内外水压差，出现了一种新型分离式衬砌结构，其内衬采用钢管，钢管和管片
之间回填自密实混凝土的同时，为排泄降低外水压力，管片内侧上部铺设一定范围复合排水板，形成
管片衬砌和钢内衬分别承担外部水土压力和内水压力的分开受力模式。针对这种新型衬砌结构，相关
学者采用模型试验和数值模拟的方法进行了研究：汪思聪 ［１０］ 建立了荷载－ 结构模式下输水隧洞衬砌结
构的三维有限 元精 细模 型，分 析了输 水隧 洞衬砌 结构内 外衬 分 开 受力 和 联 合受 力 的 力学 性 能；Ｈｅ

收稿日期：２０２２ － ０４ － ２９；网络首发日期：２０２３ － ０１ － １８
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０１１６．１１００．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１８７９２０７）；国家重点研发计划项目（２０１６ＹＦＣ０４０１８０３）
作者简介：苏凯（ １９７７ － ），教授，主要从事管道结构与地下工程研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｓｕｋｅｒ８０４４＠１６３．ｃｏｍ

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