在反复强烈流体载荷作用下多材料隧道构件的动态响应特性与承载效率

为什么更坚固的隧道很重要

许多现代能源系统依赖地下隧道输送大量水流到涡轮机及其回流。这些隧道承受严酷的水压，可能导致混凝土衬砌开裂，进而引发渗漏、代价高昂的停运，甚至结构失效。本研究探索了一种新的衬砌构造方式，使隧道即便在开裂后仍能安全承载荷载，并在重复加压下抵抗渗漏。

围绕隧道的层状壳体

作者提出了一种“三明治”式衬砌，由三层协同工作的材料组成：内侧一圈钢筋混凝土、包裹其外的一层薄钢板，以及外侧一圈钢筋混凝土。三者共同在围岩内部形成复合壳体。与传统仅依赖钢板或仅依赖混凝土的衬砌不同，这一设计将受力分散到三层之间。沿周向布置的钢筋用于将钢板机械锁定于两侧混凝土，使各层能一同变形并在出现裂缝时可靠地传递应力。

现有隧道衬砌为何不足

在高水压隧道中，常规衬砌各有严重缺陷。钢板衬砌在拉伸方向强度高、抗内水压能力好，但在排空时受外压可能发生屈曲，且造价高、施工困难。钢筋混凝土衬砌施工成本低、便于施工，遇外压时不易屈曲，但在高内水压下不可避免地会开裂，导致水渗入围岩并降低衬砌承载能力。过去用环氧或纤维增强聚合物将钢板粘结到混凝土上的尝试，在潮湿且化学活跃的环境中耐久性不足。因此，需要一种既能在压力变化中保持鲁棒性、又能在富水环境中具有耐久性的衬砌体系。

对新型衬砌的测试

为研究该三明治衬砌的行为，研究人员制作了按比例缩小的隧道段物理模型。模型由三层衬砌安装在一根结实的钢缸内组成，该钢缸可从内侧注水（模拟运行状态）或从外侧注水（模拟隧道排空而地下水向内挤压）。嵌入内混凝土、钢板和外混凝土的应变计记录了各层在加压和卸压过程中的拉伸或压缩。通过一系列可控的加载循环，团队既能观察完整结构下的行为，也能研究混凝土环出现裂缝后的响应。

水压循环下受力如何转移

在外水压作用下，三层均处于压应力状态，外侧混凝土承受约43–45%的周向荷载，内侧混凝土约40–42%，而钢板仅为13–16%。钢板应力远低于可能发生屈曲的水平，部分原因是被周围混凝土约束。在内水压作用下，受力分配则不同：裂缝之前，围岩、内混凝土、外混凝土与钢板共同承担拉力。当内侧混凝土在约0.94 MPa时发生开裂，其承担的周向力份额急剧下降，钢板的负担从约15%跃升到约25%。当外侧混凝土随后开裂时，钢板的份额再次上升，达到总体的大约四分之一到三分之一，而开裂的混凝土环承载减少。即便在裂缝出现后再次进行外部和内部加压循环，钢板仍在压应力与拉应力之间交替工作，支持受损混凝土并限制永久变形。

对实际隧道的意义

总体而言，实验表明三明治衬砌即便在混凝土环在高内水压下开裂后仍能保持安全工作。结构不会发生突发性的承载能力丧失，而是将更多荷载重新导入钢板，同时混凝土继续提供刚度并抵抗屈曲。在有限的实验室压力循环次数内，该体系表现出稳定性，并相比传统衬砌降低了渗漏与失稳风险。尽管关于腐蚀、疲劳以及在真实围岩中长期行为等问题仍需通过全尺度研究来评估，但这项工作为抽水蓄能及类似水电工程中更安全、更具弹性的高压水隧道提供了有前景的路径。

引用: Pei, J., Deng, Z. Dynamic response characteristics, load-bearing efficiency in multimaterial tunnel assemblies subjected to recurrent intense fluid loading. Sci Rep 16, 12079 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42916-y

关键词: 水力隧道, 钢筋混凝土, 钢板衬砌, 水压作用, 结构耐久性