Page 92 - 2024年第55卷第3期

式中：Ｆ为根据厚壁圆筒理论计算出的在内压或外压作用下的衬砌轴力；对于内水压力作用，围岩荷
载分担比为衬砌所承受荷载的余值，外水压力作用时围岩不分担荷载。
第一次外水压力作用和第一次内水压力作用试验中，衬砌各部分荷载分担比如图 ７所示。

图 ７ 第一次外水和内水作用试验中衬砌各部分荷载分担比

由图可知，在外水压力作用时，钢筋混凝土夹心钢板衬砌各部分的荷载分担比基本恒定无变化，
内层混凝土分担整个荷载的 ４１％～４２％，外层混凝土分担 ４３％～４５％，钢板分担 １３％～１５％，钢板部分
的弹性模量相较混凝土高，使得内层混凝土分担荷载略低于外层混凝土。最大外水压力作用时，在无
内外侧限的情况下，基于薄壳理论计算得到的钢板溃屈应力值为 ２０．２５ＭＰａ，但模型试验中内外层混
凝土分担了 ８０％以上的环向荷载，使钢板的环向压应力仅为 １．４７ＭＰａ，并且两侧混凝土为钢板提供了
侧限约束，使钢板不易发生由于黏结强度不足导致的剥离或滑移，增强了整体的抗压性与稳定性。因
此在高外水压力作用下，钢筋混凝土夹心钢板衬砌可克服钢板衬砌的溃屈风险。
在内水压力作用时，在内层混凝土开裂前，围岩（试验平台外层钢板）、混凝土以及钢板的荷载分
担比基本保持稳定，总体上内层混凝土分担荷载相对较大，混凝土部分分担 ５８％～５９％总荷载。混凝
土开裂对于钢筋混凝土夹心钢板各部分的荷载分担产生明显影响：（ １）内层混凝土部分发生开裂后，
其所分担的总体荷载明显降低，荷载分担比从 ３２％骤降至 １６％。此时，围岩、外层混凝土以及钢板所
承担的荷载明显升高，围岩荷载分担比从 ２７％提高至 ３１％，外层混凝土从 ２７％提高至 ３３％，钢板从
１４％提高至 ２０％；（２）内外层混凝土均发生开裂后，外层混凝土总体分担荷载相应降低，从 ３３％骤降
至 ２１％，内层混凝土基本无变化。此时，由于混凝土部分所分担荷载降低，围岩和钢板所承担荷载进
一步上升，分别从 ３１％增至 ３５％、２０％增至 ２７％，混凝土部分分担 ３８％总荷载。此时钢板环向应力为
２８．０１ＭＰａ，远低于钢材的极限抗拉强度，不会发生普通钢筋混凝土衬砌高内水压力作用下的内水外
渗可能。在这一过程中钢筋混凝土夹心钢板衬砌中混凝土开裂部分和未开裂部分所分担的荷载也有不
同，具体如图 ８所示。
在内层混凝土发生开裂时，开裂部分荷载分担比从未开裂前的 ３４％骤降至 ６％，未破裂部分荷载
分担比从 ３０％降低至 ２６％。外层混凝土发生开裂时，开裂部分荷载分担比从未开裂前的 ３４％降至
１２％，未破裂部分荷载分担比从 ３２％变化为 ２１％。说明混凝土局部位置的开裂，并没有彻底破坏衬砌
的完整性，混凝土部分仍然会承受一定荷载作用。
本文的研究是为了降低在高外水压力作用下单纯钢板衬砌的溃屈、高内水作用下的内水外渗的风
险，从而研制了新型衬砌。需要指出的是，在很小的外水压力下则采用该种衬砌的必要性较低，同
样，水道内水水头较低、衬砌中混凝土部分不会发生开裂的情况下也可采用常规衬砌。
４．３ 承载机理 通过室内模型试验中钢筋混凝土夹心钢板衬砌各部分应变及荷载分担比变化，总结该
衬砌在浇筑期、首次充水运行工况、放空期和再次充水运行工况下的承载机理如下（图 ９）。

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