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３．５ 结构承载比分析 为进一步量化分析内水压在分离式衬砌结构各层分配情况，由于本文忽略了衬
、 、
砌自重和水重的影响，故提出式（ ６）分别计算钢衬、自密实混凝土、管片和围岩的承载比 η １ 、η ２ η ３
，即：
η ４
Ｓ
σ ｉ ｉ
θ
＝ （ｉ ＝ １，２，３）
η ｉ
ＰｂＲ
（６）
３
＝ １ － ∑
η ４ η ｉ
ｉ ＝１
分别为钢衬、自密实混凝土、管片典型截面处的环向应力平均值；Ｓ、Ｓ、Ｓ分
式中：σ １ 、σ ２ 、σ ３ １ ２ ３
θ
θ
θ
别为钢衬、自密实混凝土、管片典型截面处构件截面积；Ｐ为内水压设计值；ｂ为单环幅宽；Ｒ为钢
衬内径。
根据式（ ６）绘制裂缝（ＴＣ）、裂缝（ＢＣ）所在截面初次充水时，承载比随内水压的演化曲线（图 ８），
结合自密实混凝土开裂过程（图 ４），可以将初次充水过程中分离式衬砌的承载特性分为 ４个阶段：（１）
弹性阶段，自密实混凝土无损伤，结构各部分内水压承载比基本不变，内水压主要由自密实混凝土承
担；（ ２）排水板末梢和拱顶自密实混凝土开裂阶段，自密实混凝土承载比骤降，围岩和钢衬承载比产
生阶跃提升，内水压承载主体由自密实混凝土转至围岩和钢衬；（３）排水板铺设范围内裂缝发展阶段，
结构各部分承载比变化较缓；（ ４）排水板铺设范围外开裂阶段，自密实混凝土拱底出现贯穿缝，其承
载比进一步下跌，钢衬、管片和围岩承载比提升，最终保持稳定。

图 ８ 衬砌结构承载比随内水压演化

选取 ＮＤＰ ＝ ０ 、０．１２５、０．２５、０．３７５、０．５、
０．６２５、０．７５、０．８７５共 ８个典型 截面，分 析
设计内水压作用下衬砌结构承载比。如图 ９
所示，自密实混凝土因产生多条径向贯穿裂
缝，基本失去环向承载力，故其承载比小于
１０％，钢衬管顶承载比最大，管腰次之，管
底最小，数值整体在 ２９％～４６％之间，内 水
压主要 由 围 岩 承 担，排 水 板 铺 设 范 围 内 外
围岩 的 承 载 比 相 差 不 大，均 接 近 ５０％。 通
过对衬 砌 结 构 承 载 比 的 分 析 证 实：分 离 式
衬砌钢内 衬 主 要 承 担 内 水 压 的 设 计 思 路 没
有实现。
图 ９ 典型截面衬砌结构承载比

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