穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验研究
钮新强
（1962—），男，浙江湖州人，教授级高级工程师，全国勘察设计大师，主要从事水利水电工程设计与科研工作。
长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010
符志远
长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010
张传健
长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010
穿黄隧洞为大型压力输水隧洞，采用盾构法施工。设计要求在盾构施工形成的拼装式管片环内，设置预应力内衬，以组成新型复合衬砌结构。为此，开展穿黄隧洞衬砌1∶1仿真模型试验，分两阶段进行。第1阶段为准备性试验，包括对三环内衬进行1∶1仿真地面模型试验；第2阶段为地下模型试验研究，模型埋于地下，并人工构造与实际工程相同的埋深和水土条件，而以高位水箱按设计水头对洞内充水加压，进行超载试验。试验取得完全成功，为验证和优化设计提供了试验依据；其模型设计、仿真模拟、试验方法可供相关工程参考。
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划项目“复杂地质条件下穿黄隧洞工程关键技术研究”（2006BAB04A11）。
1 工程概述
1.1 试验研究目的与任务
穿黄工程是南水北调中线工程中的关键性工程，穿黄隧洞为工程的咽喉，地处黄河典型游荡性河段，位于基本烈度Ⅶ度地震区，地质条件复杂，实施方案采用盾构法施工，穿越黄河覆盖层。穿黄隧洞双线布置，内径7m，外径8.7m，除需承受外部水、土荷载外，还要承受大于0.5MPa的内水压力，为大型压力水工隧洞。长江水利委员长江勘测规划设计研究院（以下简称长江设计院）作为工程的设计单位，为解决穿黄隧洞在复杂条件下工作，研发了预应力盾构隧洞结构型式，因结构创新、工艺复杂，并首次在工程上应用，备受专家们关注。为验证设计、优化设计、完善施工工艺，2005年10月9日，南水北调中线干线工程建设管理局（以下简称中线建管局）发函委托长江设计院作为技术负责单位，联合长江水利委员长江科学院（以下简称长江科学院）进行穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究（简称穿黄隧洞仿真试验研究）。
1.2 试验研究过程
2005年11月25—26日，中线建管局在北京组织专家审查了长江设计院报送的《南水北调中线一期穿黄工程穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究实施报告》（以下简称《实施报告》），并形成审查纪要，穿黄隧洞仿真试验研究正式启动。
鉴于仿真试验研究内容多、难度大、工艺条件复杂，且如此大规模的仿真试验研究在国内水利行业尚属首例，特别是试验无法重复，重要的试验项目需预先进行，总结经验，掌握规律，以确保顺利完成穿黄隧洞仿真试验研究。根据已审定的《实施报告》，穿黄隧洞仿真试验研究分两个阶段进行：第一阶段完成准备性试验研究；第二阶段完成地下模型试验研究。
第一阶段试验研究于2009年完成，包括中线建管局要求穿插进行的无黏结预应力地面试验研究，共提交两份试验研究报告：《穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验准备性试验研究报告》、《穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验无黏结地面试验研究报告》，先后于2007年4月和2009年5月通过中线建管局和国务院南水北调工程建设委员会专家委员会（以下简称专家委员会）的审查，确认已具备进行地下模型试验条件。随后地下模型试验研究正式开始，2010年6月完成试验，2010年8月提交《穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验地下模型试验研究报告》，2010年9月中线建管局组织专家对试验研究报告进行审查，确认完成了各项试验内容，达到了预期目标，并认为试验目的明确、设计合理、过程控制严谨、分析计算方法科学且针对性强，所获数据资料翔实，成果可靠、说服力强，可作为设计和施工方案优化的基础。
2 准备性试验研究
2.1 试验研究内容
准备性试验研究内容主要包括：①钢绞线性能检验；②环锚锚具性能检验；③自密实混凝土配合比试验研究；④防排水垫层特性的室内试验研究；⑤内衬有黏结预应力混凝土环张拉锚固试验研究。
2.2 试验情况
2.2.1 钢绞线性能检验
（1）参加检验单位。提供钢绞线进行原材物理力学试验的单位为：河北省通力金属制品有限公司（简称通力厂）、江苏江阴华新钢缆有限公司（简称华新厂）和江西新余新华金属制品股份有限公司（简称新华厂）。
（2）试验情况。检验单位分别为国家建筑工程质量监督检验中心和国家金属制品质量监督检验中心。检验项目包括：外观、直径、面积、伸长率1%时最小荷载、破断力、延伸率、弹性模量等，均满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224—2003）有关1860级公称直径15.2的钢绞线各项力学指标。
2.2.2 锚具组装件静载试验
（1）测试项目。根据《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370—93），对所采用的环锚锚具与拟用钢绞线组成锚具组装件进行静载试验，测试以下项目：①锚具组装件效率系数；②锚具组装件总应变。
此外对锚固过程回缩值以及与环锚锚具配套的弧形垫座孔道摩擦系数进行测试。
（2）测试情况。环锚锚具由柳州欧维姆机械股份有限公司（以下简称欧维姆厂）提供，采用通力厂、华新厂和新华厂三家生产的钢绞线分别与其装配成环锚静载组装件，在试验台上进行试验。
（3）测试结果。
1）弧形垫座效率系数ηa。经对试验数据整理，并按下式计算：
式中：ηp为钢绞线效率系数，取0.99；Fapu、Fpm分别为组装件和钢绞线试件实测极限拉力。
计算表明，锚具组装件效率系数为97.9%～100%，满足不小于95%要求。
2）组装件总应变εapu。经对试验数据整理，并按下式计算：
式中：εe、εp分别为锚索锚固时已发生的应变和由锚固状态重新张拉至锚索破断时所发生的应变。
计算表明，各组试验均满足总应变不低于2%的要求。
3）弧形垫座孔道摩阻系数。经对试验数据整理，并按下式计算：
式中：T1、T2、θ分别为弧形垫座加力端拉力、另端拉力和孔道对应的中心角（弧度）。计算表明，当孔道内套PE管时总平均摩阻系数μcp=0.0718；没有套PE管时总平均μcp=0.0846。
4）环锚锚索锚固时回缩值为5.18～5.52mm，小于6mm的试验要求。
2.2.3 自密实混凝土配合比试验
穿黄隧洞采用双层衬砌，初步设计阶段审定外衬与内衬之间采用防排水垫层相隔。为避免内衬液态混凝土因振捣淤堵垫层的内侧排水层，借助1∶1仿真模型试验的机会，对自密实混凝土配合比进行研究。分3步进行：第1步为室内试验推荐配合比；第2步为施工单位现场验证试验；第3步在仿真模型现场浇筑验证。
（1）室内试验研究。长江科学院通过室内试验研究先后于2006年5月、2006年10月提出自密实混凝土配合比，供施工单位进行现场验证试验。
1）第1次提供配合比。将各种水泥、外加剂、粉煤灰分别与北岸料场骨料以及多个水胶比相互组合后进行室内试验，最后推荐采用鹤壁同力牌42.5普通硅酸盐水泥、珠海顶峰牌SP406减水剂、江苏建科院博特公司JM-2000引气剂，供施工单位做验证试验。推荐采用的配合比如表1所示。
表1 推荐C40自密实混凝土配合比（第1次）
2）第2次提供配合比。为适应穿黄隧洞浇筑时运送程序多、历时长的特点，将骨料调为一级配，并采用麦斯特集团的优质外加剂，经过多方案试验，最后推荐了新的配合比，详见表2，自密实混凝土性能和主要技术指标见表3。
表2 推荐C40自密实混凝土配合比（第2次）
表3 内衬自密实混凝土性能和主要技术指标
注 表中C40为28d强度。
（2）现场验证试验。各次验证试验均于施工单位试验室进行。2006年5月30日进行了第1次验证试验，结果如下：①机口处取样：坍落度24.5cm，扩展度60～63cm，扩散50cm的时间为4.2s，无泌水，含气量5.0%；②覆盖静置30min后坍落度21cm，扩展度35～36cm；覆盖静置1h后坍落度19cm，扩展度30～30cm。
2006年10月11日进行了第2次验证试验，结果见表4。
表4 混凝土拌和物性能试验结果
试验表明新推荐的配合比拌制的混凝土无板结，不离析、不泌水，流动性与和易性好。2h坍落度、坍落扩散度损失小。
（3）仿真模型现场浇筑。室内试验研究和现场验证试验均表明，按所提供的配合比制备的混凝土，其拌和特性满足规范对自密实混凝土性能的要求，并先后用于三环内衬地面模型的浇筑施工。经拆模检查发现，三环模型内壁面腰线以下45°和外壁面腰线以上45°部位存在不同程度的缺陷，主要是泌水和麻面。经分析认为主要与施工过程中对配合比的掌控、浇筑窗口的设置、泵浇混凝土的工艺等因素有关。这也说明了由小规模的实验室试验走向大规模的现场施工还需有一个过程，但试验所提供的自密实混凝土配合比仍可提供进一步研究参考。
2.2.4 防排水垫层特性室内试验研究
（1）试验研究过程。试验开始时，提出采用二布一膜的复合土工布作为防、排水弹性垫层，基本设想是，将外层土工布贴靠外衬管片环，用于排放外衬的渗漏水，内层土工布贴靠内衬现浇混凝土，用于排放内衬的渗漏水；内、外层土工布之间为PE膜分隔。试验中曾广泛探讨影响土工布渗透性能的各种因素，包括土工布的品种、混凝土配合比、浇筑压力、振捣条件、渗透坡降、析出物以及时间效应等。短期试验表明，长纤土工布较短纤土工布好，免振混凝土较振捣混凝土好，渗透坡降大较小为好，但连续试验2个月后，各种条件下土工布的渗透系数均降至i×10-4。究其原因，主要是渗漏水中的气体析出造成气堵，不同条件的差别只是发生气堵时间的早与晚。
根据这一试验结果，决定改用格栅型排水层，以扩大排水空间。试验表明，具有格栅型排水层的防、排水弹性垫层经过较长时段的连续试验，渗透系数仍能保持100～10-1的数量级，抗淤堵性能好。其后，在内衬混凝土环模型浇筑试验中，将格栅型排水层复合土工布敷设在地面模型上进行仿真浇筑。拆模后，经取样交实验室测试，渗透系数仍保持在100～10-1的数量级。
（2）推荐工程使用的防排水垫层。对于有垫层方案，推荐采用的格栅型排水层由5层构成，自外向里为：250g土工布、厚0.6mm聚乙烯（PE）膜、100g土工布、5mm高排水格栅、200g土工布。图1为掀开内层土工布后格栅的样品外观。
图1 格栅排水层样本外观
2.2.5 内衬有黏结预应力环张拉试验
（1）内衬有黏结预应力环模型。隧洞内衬直径7m，厚度45cm，仅为直径的1/16，较常规厚度偏薄，而要承受间距40cm单束锚索2250kN的张拉力，预应力度偏高。为此在进行地下模型试验前，对内衬单独建模试验，以验证其安全。所建模型内壁面展开示意如图2所示。
图2 内衬有黏结预应力环张拉模型内壁面展开示意（单位：mm）
模型混凝土级别为C40，长9.6m，共布置24束锚索，断面轮廓、锚索布置与初步设计报告相同。共布设1～6号监测断面，其中1号、3号、5号为重点断面，布置有应变计、钢筋计、测力计和钢绞线应变片等仪器。
（2）孔道摩阻系数测定。对孔道摩阻系数的实测，采用千斤顶活塞伸长反演，第1环是在钢质波纹管已发生锈蚀情况下进行的，实测摩阻系数平均值为0.2385，第2环钢质波纹管未发生锈蚀，实测摩阻系数平均值为0.1896，均小于规范推荐值0.25。不过也说明了为避免钢质波纹管发生锈蚀，只要混凝土强度达到设计强度，锚索应尽快张拉。
（3）锚索锚固。锚索锚固后，其拉力会减小，与钢绞线松弛、混凝土收缩、徐变有关，锚固后10～15d，锚索拉力趋于稳定，其后随温度变化而略有变化。
（4）模型混凝土应力。模型混凝土应力除实测外，还按模型工作条件进行了三维有限元计算。锚索张拉分2序进行，第1序张拉力为1500kN，第2序张拉力为2250～2500kN，张拉过程3个重点监测断面实测混凝土应力增量与计算值对比见表5。
表5 锚索张拉过程实测混凝土应力增量与计算值对比 单位：MPa
由表5对比可见：①应力实测值与计算值规律相同，数值相近，成果合理；②整个张拉过程，内衬预应力环安全，达到检验设计目的。
2.3 评审结论
2007年4月10—12日，中线建管局在郑州市召开了《准备性试验研究报告》专家评审会，确认《准备性试验研究报告》真实反映了试验情况、资料翔实，对下阶段试验具有重要参考价值；通过准备性试验研究，达到了预期目标，基本具备在地下进行穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究的条件。
3 无黏结预应力地面试验研究
3.1 试验研究内容
无黏结预应力地面试验研究内容主要包括：①无黏结钢绞线性能检验；②环锚锚具性能检验；③内衬无黏结预应力混凝土环张拉锚固试验研究。
3.2 试验情况
3.2.1 无黏结钢绞线性能检验
（1）原材物理力学性能检验。无黏结钢绞线原材物理力学检验与有黏结钢绞线相同，检验表明均满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224—2003）有关公称直径15.2，1860级钢绞线各项力学指标。
（2）油脂防腐性能测试。钢绞线防腐油脂性能测试表明，送检的有Ⅰ类油脂和Ⅱ类油脂两种，其中送检的Ⅱ类油脂达到规范规定的防腐指标，而送检的Ⅰ类油脂有2项指标未达到规范规定的防腐标准；说明抽检的油脂，防腐性能尚不够稳定。
3.2.2 锚具组装件试验
（1）锚具组装件静载试验。OVM公司提供的HM15-12型、HM15-6型工作锚板分别与天津鑫坤泰集团和新华金属制品有限公司提供的无黏结钢绞线组合为静载组装件后，试验实测各组装件锚具效率系数大于或等于95%，总应变大于2%，满足规范要求。
（2）锚具组装件动载试验按《无黏结预应力混凝土结构技术规程》（JGJ/T 92—2004）要求：锚具组装件应进行疲劳锚固试验，即应通过试验应力上限σmax取预应力钢材抗拉强度标准值的65%、应力幅度取80N/mm2，循环次数为200万次的疲劳性能试验。将其列为供应商出厂保证指标。
3.2.3 无黏结地面模型张拉试验
（1）张拉模型预应力锚索布置。地面张拉模型断面与工程实际结构断面相同，锚索间距为45cm，模型为一个标准衬砌段长9.6m，分为两段，共布置21束锚索，分A、B两区布置。A区布置11束，单索由6根钢绞线集束双圈环绕而成，B区布置10束，单索由12根钢绞线集束单圈环绕而成，锚索在钢筋安装时同步架立，然后一道浇筑混凝土。
（2）张拉试验情况。①张拉试验全过程，模型混凝土完好，表明所模拟的隧洞内衬结构具有足够的承载能力。②反演孔道摩阻系数：充填Ⅱ类脂的锚索，油脂的黏度较大，孔道摩阻系数平均为0.1264，大于规范推荐值；充填Ⅰ类脂的锚索，油脂的黏度较小，孔道摩阻系数平均为0.0714，小于规范推荐值。总平均为0.0989，与《无黏结预应力混凝土结构技术规程》的推荐值0.10相符。③监测仪器完好率为100%，试验实测混凝土应力与计算应力分布规律相同，数值相近，达到了检验设计的目的；内衬预应力平均形成-8～-11MPa的压应力，可以满足安全充水运行的要求。④通过对模型相同部位测点的预压应力比较可知，单圈环绕的B区预应力效果总体上较双圈环绕的A区为好。⑤模型拱顶和底部平台之间实测相对变形最大为-2.85mm，与计算的最大相对变形-2.1mm相近，属于正常变形。⑥无黏结与有黏结预应力效果比较：无黏结锚索具有孔道摩阻系数较有黏结锚索为小的优点，对于双圈环绕的无黏结锚索，曲线孔道包角为单圈环绕的有黏结锚索的2倍，弱化了孔道摩阻系数较小的优点，相比之下，无黏结预应力效果略优（两者相差仅-0.34MPa），效果并不明显。
3.3 试验评述
（1）本次试验表明，无黏结预应力结构关键在于防腐，为防止因防腐失败造成预应力丧失，规范要求配置较多的普通钢筋，将相应增加工程费用。
（2）若穿黄隧洞采用无黏结预应力系统，有可能埋下漏油污染源水的隐患。若因漏油检修，又将大大增加运行管理费用，且一旦防腐失败，预应力丧失，将影响隧洞工程安全。
（3）2009年5月23—25日，国务院南水北调工程建设委员会专家委员会召开了南水北调中线一期穿黄工程隧洞衬砌1∶1仿真试验研究阶段成果评审会，评审认为：“有黏结预应力结构钢绞线被碱性的水泥浆包裹，防腐环境良好，有利于长期使用和环境保护，结构安全性与耐久性较优，建议在进一步开展试验研究时，重点是针对波纹管破裂、淤堵等问题认真研究制定有黏结预应力施工工艺，以提高大规模施工时穿索和孔道灌浆实施的保证率。”
4 地下模型仿真试验
4.1 试验研究内容
根据穿黄隧洞仿真模型试验目的与任务，并基于准备性试验研究成果，地下模型试验研究于2009年5月以后正式开始。鉴于内衬施工准备阶段，施工单位认为垫层方案不利于内衬施工，建设单位亦认为垫层施工问题得不到解决，将对工程质量和工程进度造成很大的影响，于是要求设计单位研究取消垫层方案。为预作优化设计准备，设计单位及时调整试验方案，增加了无垫层有插筋试验段（以下简称为无垫层试验段），并与有垫层试验段在相同条件下开展地下模型仿真试验。
地下模型仿真试验主要研究内容包括：①外衬、内衬各工作阶段应力过程试验研究；②预应力锚索张拉锚固试验研究；③垫层防、排水特性试验研究。
4.2 试验模型设计
4.2.1 仿真水土环境
地下模型试验场位于黄河南岸邙山黄土岗地，地表高程为172～174m，地下水位约为139m，埋藏较深。为模拟穿黄隧洞工程的自然条件，通过开挖，将试验模型深埋于地下，再回填与工程典型断面类同的砂料和土料，以形成外部的围土条件；通过设置防水土工膜包裹模型和人工围土，然后再充水，以形成人工水土环境。地下模型埋置示意见图3。
图3 地下模型埋置示意（高程：m；尺寸：cm）
4.2.2 隧洞衬砌仿真设计
（1）地下模型结构仿真布置。地下模型深埋地下，首先需要形成一个能抵御外部水土作用和充水加压作用的封闭结构，还要提供地下模型内衬施工和试验过程的交通、运输条件，为此地下模型结构由试验段、封堵结构和交通竖井组成。
（2）试验段共2段，靠南侧为第1试验段，北侧为第2试验段，每段长9.6m，隧洞断面、衬砌结构、接缝等均与实际工程类同。分述如下：①外衬结构。外衬结构内径为7.9m，外径为8.7m，衬厚40cm，由7块预制钢筋混凝土管片拼装组成，管片环单环宽1.6m；混凝土强度等级为C50，抗渗等级为W12。②内衬结构。内衬结构内径为7.0m，外径为7.90m，衬厚45cm，为后张法预应力钢筋混凝土结构，内衬混凝土强度等级为C40，抗渗等级为W12；预应力通过张拉锚索提供，锚索由12根φj15.2的钢绞线集束而成，锚索间距45cm，每个试验段布置21束，分4列布置。③内、外衬界面。第1试验段内、外衬界面设置防、排水弹性垫层，第2试验段内、外衬界面不再设置垫层，但布置了联系插筋，内衬混凝土直接浇筑在外衬的内表面。
（3）充水设施。地下模型空腔容积约1000m3，为形成稳定的内水压力，设置了高位水箱，以确保模拟隧洞通水运行工况的准确性。此外为正常供水还配套了工作水池、水泵和相应的连接管路等设施，确保试验不间断顺利进行。为营造地下模型水环境，设置地下水位调节井，给土工膜内地下水充水和调节水位，试验完毕，洞内水体排向交通竖井下方集水井，再抽排至洞外排水沟。地下模型水环境和洞内充排水设施布置见图4。
图4 地下模型充水布置（高程：m；尺寸：cm）
4.3 监测布置
4.3.1 监测断面布置
第1试验段和第2试验段各布置4个监测断面，另为确保锚索张拉过程结构安全，各布置了2个专项监测断面（监测断面及洞外仪器布置图略）。
4.3.2 监测项目与监测仪器
仪器配置见表6，进行下列项目的监测：①外部土压力与水压力；②垫层渗流量与渗透水压力；③内衬与外衬分界面开合度；④内衬混凝土和钢筋应变；⑤预应力锚索锚固力；⑥结构收敛变形。
表6 监测仪器配置
4.4 有垫层试验段试验情况
4.4.1 内衬应力分布
图5为锚索张拉后和洞内按设计水压充水后1—1断面内衬应力增量监测成果。结合2′—2′剖面、3—3剖面测量成果，全部锚索张拉到2250kN后，内衬应力增量为-13.36～-3.95MPa，平均为-7.66MPa；充水达到设计水压时，内衬应力为-1.36～-7.91MPa，平均为-3.90MPa，达到全截面受压的设计要求。
图5 有垫层内衬混凝土应力监测情况（单位：MPa）
4.4.2 防排水垫层渗透性能
（1）排水层实测渗透系数。通过实测垫层通入排水管流量，估算渗透系数，格栅排水层约为0.133cm/s，外层土工布约为0.048cm/s，能够满足隧洞衬砌渗漏水排放要求。
（2）排水层排水不畅试验。在设计水压下，实测排水格栅渗压水头：当排水顺畅时为4.32～5.50m，当排水不畅时排水层水压将迅速升高，为33.2～30.32m，对外衬安全不利。
4.5 无垫层试验段试验情况
4.5.1 内衬应力分布
图6为锚索张拉后和洞内按设计水压充水后4—4断面内衬应力增量。结合5′—5′剖面、6—6剖面测量成果，全部锚索张拉到2250kN后，内衬应力增量为-9.35～-4.10MPa，平均为-7.66MPa；充水达到设计水压时，内衬应力为-0.57～-5.93MPa，平均为-3.35MPa，达到全截面受压的设计要求。
4.5.2 外衬应力分布
锚索张拉后外衬应力增量变化于-0.49～-2.53MPa，平均为-1.39MPa；洞内充水达到设计水压时，外衬应力增量变化于1.43～1.95MPa，平均为1.64MPa。
4.5.3 内衬与外衬联合受力分析
（1）界面接触状态。由于新浇筑的内衬混凝土体积变形，内衬与外衬接触界面开度（以下简称界面开度）平均为0.23mm，锚索张拉后平均为0.51mm，洞内充水达到设计水压后，内衬环体发生外扩变形，界面开度有减小，但并不明显。
（2）应力变化分析主要有以下3个方面：①锚索张拉。内衬混凝土应力增量：有垫层试验段为-13.36～-3.95MPa，平均为-7.66MPa；无垫层试验段为-9.35～-4.10MPa，平均为-6.76MPa，较有垫层平均约小0.9MPa（指绝对值，下同）；外衬混凝土应力增量：有垫层试验段无变化，无垫层试验段为-0.49～-2.53MPa，平均为-1.39MPa，表明外衬获得了部分预应力。②洞内设计水压充水。内衬混凝土应力：有垫层试验段为-1.39～-7.91MPa，平均为-3.90MPa；无垫层试验段为-0.57～-5.93MPa，平均为-3.35MPa；较第1试验段平均约小0.55MPa；外衬混凝土拉应力增量：有垫层试验段无变化，无垫层试验段为1.43～1.95MPa，平均1.64MPa，表明外衬参与分担内水压力。③对内、外衬联合受力的认识。
图6 无垫层内衬混凝土应力监测情况（单位：MPa）
无论是锚索张拉过程，或是充水过程，无垫层试验段外衬均产生了明显的应力增量，这是因为除了内、外衬界面混凝土的黏结作用外，拉筋起到了力的传递作用，是实现内、外衬联合受力的重要结构措施。
4.6 三维有限元数学模型计算
4.6.1 计算模型
（1）计算条件：跟踪地下模型试验条件，其计算成果与其对比与验证。
（2）计算模型：单元总数207856个，三维模型网格示意图见图7。
4.6.2 计算成果
（1）锚索张拉。内衬混凝土应力增量：有垫层试验段为-10.15～-4.61MPa，平均为-7.47MPa；无垫层试验段为-8.69～-3.59MPa，平均为-6.51MPa，小于有垫层0.96MPa；外衬混凝土应力增量：有垫层试验段无变化，无垫层试验段为-1～-2MPa，表明外衬获得了部分预应力。
（2）洞内设计水压充水。内衬混凝土应力增量：有垫层试验段计算值为3.71～4.39MPa，平均为3.94MPa；无垫层试验段计算值为1.71～4.08MPa，平均为3.31MPa，小于有垫层0.63MPa。表明外衬参与分担内水压力，因而内衬拉应力增量减小。
图7 模型网格示意
（3）界面接触状态。界面平均开度：张拉前（由于内衬混凝土自生体积变形）为0.25mm，张拉后为0.61mm（增加了0.36mm），洞内充水达到设计水压为0.48mm（减小了0.13mm）。
经将计算结果与试验结果对比可知，计算应力、变形分布规律相同，数值相近，试验成果是合理的、可靠的。
5 主要试验结论
（1）确认试验采用的钢绞线、环锚锚具和格栅型防、排水垫层适用于本工程。
（2）确认钢质波纹管在不发生锈蚀情况下，孔道摩阻系数可以按低于规范值（μ=0.25），取μ=0.20。
（3）本次试验对锚索采取两序张拉方案，并采取单根预紧、分序集束张拉的工艺，较好地控制了张拉过程中混凝土纵向应力，适用于穿黄隧洞内衬施工。
（4）单独受力复合衬砌结构特性。试验表明，张拉工况和内水压设计工况内衬应力分别平均为-7.66MPa和-3.90MPa，实现了全截面受压；外衬单独受力，无明显的应力增量，作为普通钢筋混凝土结构，满足设计要求。内衬与外衬均具有较好的超载能力。
（5）联合受力复合衬砌结构特性。试验表明：张拉工况和内水压设计工况内衬应力分别平均为-5.51MPa和-3.35MPa，实现了全截面受压；外衬应力增量分别为-1.39MPa和1.64MPa，显示其与内衬联合受力的结构特性，而且作为普通钢筋混凝土结构，满足设计要求。内衬与外衬均具有较好的超载能力。
（6）垫层排水性能对结构的影响。排水不畅，排水层内水头迅速上升，对外衬安全有不利影响，必须加以防范；对于长达4.25km的长大隧洞，如其中任何一个衬砌段垫层的施工未能达到设计要求，均有可能留下安全隐患，因此对垫层的施工质量应特别重视。