油氣管道隧道噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、以“一帶一路”為契機(jī)，油氣管道合作全面開啟，目前中國正在籌劃和建設(shè)多條能源通道，至2020年油氣管道總里程將超過15萬km。油氣管線的建設(shè)將成為未來政府主導(dǎo)投資發(fā)力點(diǎn)，山區(qū)管道隧道穿越成為常態(tài)化控制性工程，隧道工程的修建質(zhì)量直接關(guān)系到油氣生命線建設(shè)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全。
　　現(xiàn)階段管道隧道結(jié)構(gòu)（斷面小、縱坡大）采用傳統(tǒng)復(fù)合式村砌，施工緩慢，工程造價(jià)高、甚至安全性差。從中國油氣管道隧道建設(shè)戰(zhàn)略需求出發(fā)，要滿足高質(zhì)量和安全性保障要求，面臨著

2、大量從未遇到過的新技術(shù)挑戰(zhàn)。因此針對(duì)油氣管道隧道展開噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法研究，為現(xiàn)行《油氣管道山嶺隧道設(shè)計(jì)規(guī)定》的修訂與完善提供技術(shù)支撐，具有科學(xué)理論價(jià)值及重大工程實(shí)際意義。
　　論文以中國石油天然氣股份有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“油氣管道隧道噴錨襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)安全性研究”(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào):XVQ-V-52(50)-2013）為依托，采用理論分析、工程類比、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，針對(duì)油氣管道隧道噴錨

3、永久支護(hù)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，展開系統(tǒng)性研究，主要成果和結(jié)論如下:
　　(1)基于工程類比、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等手段，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)行的噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)范，確定油氣管道隧道預(yù)設(shè)計(jì)階段噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)松動(dòng)圈測(cè)試驗(yàn)證錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。
　　(2)提出高性能噴射（鋼纖維）混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，通過基本力學(xué)性能試驗(yàn)及耐久性能試驗(yàn)的結(jié)果表明:6種配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度均達(dá)到C35技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中摻入纖維后的配比在韌性和耐久性能方面

4、表現(xiàn)優(yōu)異。
　　(3)基于室內(nèi)試驗(yàn)，揭示高性能噴射混凝土早期力學(xué)的作用機(jī)理，探明不同齡期下高性能噴射混凝土的力學(xué)性能，并針對(duì)早期力學(xué)性能給出建議配合比;在此基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用理論分析、工程實(shí)踐等手段，提出了考慮鋼纖維分布系數(shù)的噴射混凝土早期力學(xué)性能（粘結(jié)強(qiáng)度、等效彈性模量、抗壓強(qiáng)度）計(jì)算方法。
　　(4)基于離散元方法，模擬噴射鋼纖維混凝土生成過程，采用實(shí)際噴射混凝土配合比，建立三維離散元噴射鋼纖維混凝土非線性力學(xué)模型，針對(duì)鋼

5、纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行宏觀標(biāo)定，探明基本力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)（單軸抗壓、四點(diǎn)彎曲）中噴射混凝土（素、鋼纖維）裂縫、接觸應(yīng)力、韌性發(fā)展規(guī)律，從細(xì)觀層面揭示噴射鋼纖維混凝土的破壞特征及增韌機(jī)理。
　　(5)基于不同跨度(3.3m～32m)、圍巖級(jí)別(Ⅱ～Ⅴ)、埋深(5m～1000m)新奧法隧道大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（173個(gè)斷面）統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，獲得了噴錨襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的徑向接觸壓力量值區(qū)間及其分布形式，為油氣管道隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供技術(shù)

6、支撐。
　　(6)考慮高性能噴射混凝土“早齡期力學(xué)性能演變與圍巖耦合作用”，建立三維施工力學(xué)模型，揭示油氣管道隧道早齡期噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力時(shí)空分布規(guī)律及形變特征;基于疊加理論，考慮噴射混凝土的硬化特性，提出適用于噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法，建立組合結(jié)構(gòu)下噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)方法。
　　(7)基于損傷理論，并結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，提出噴射鋼纖維混凝土損傷因子的確定方法，建立了高性能噴射鋼纖維混凝土彈塑性損傷力學(xué)模

7、型，探明噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷演變規(guī)律及分布特征，確定出噴層永久支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷力學(xué)行為下極限破壞狀態(tài)，提出了考慮損傷因子的噴層永久支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法。
　　(8)基于高性能噴射鋼纖維混凝的早齡期拉伸軟化性能試驗(yàn)研究，得到了高性能噴射鋼纖維混凝土早齡期下彎矩—曲率關(guān)系;給出了不同齡期時(shí)噴射鋼纖維混凝土極限狀態(tài)(Ⅰ、Ⅱ)下的開裂寬度;在此基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值仿真等手段，獲得不同齡期條件下，噴錨永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、裂縫、塑性曲率