油氣管道隧道噴錨永久支護結構及其設計方法研究.pdf

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

2、大量從未遇到過的新技術挑戰(zhàn)。因此針對油氣管道隧道展開噴錨永久支護結構及其設計方法研究，為現(xiàn)行《油氣管道山嶺隧道設計規(guī)定》的修訂與完善提供技術支撐，具有科學理論價值及重大工程實際意義。
　　論文以中國石油天然氣股份有限公司科學研究與技術開發(fā)項目“油氣管道隧道噴錨襯砌支護結構及結構安全性研究”(項目批準號:XVQ-V-52(50)-2013）為依托，采用理論分析、工程類比、室內試驗、數(shù)值分析和現(xiàn)場測試相結合的方法，針對油氣管道隧道噴錨

3、永久支護結構及其設計方法，展開系統(tǒng)性研究，主要成果和結論如下:
　　(1)基于工程類比、現(xiàn)場測試等手段，結合國內外現(xiàn)行的噴錨永久支護結構規(guī)范，確定油氣管道隧道預設計階段噴錨永久支護結構設計參數(shù)，并通過現(xiàn)場松動圈測試驗證錨桿設計參數(shù)的合理性。
　　(2)提出高性能噴射（鋼纖維）混凝土配合比設計方法，通過基本力學性能試驗及耐久性能試驗的結果表明:6種配合比設計強度均達到C35技術標準要求，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)基于室內試驗，揭示高性能噴射混凝土早期力學的作用機理，探明不同齡期下高性能噴射混凝土的力學性能，并針對早期力學性能給出建議配合比;在此基礎上，綜合運用理論分析、工程實踐等手段，提出了考慮鋼纖維分布系數(shù)的噴射混凝土早期力學性能（粘結強度、等效彈性模量、抗壓強度）計算方法。
　　(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模型，針對鋼

5、纖維混凝土應力-應變曲線對力學模型進行宏觀標定，探明基本力學數(shù)值試驗（單軸抗壓、四點彎曲）中噴射混凝土（素、鋼纖維）裂縫、接觸應力、韌性發(fā)展規(guī)律，從細觀層面揭示噴射鋼纖維混凝土的破壞特征及增韌機理。
　　(5)基于不同跨度(3.3m～32m)、圍巖級別(Ⅱ～Ⅴ)、埋深(5m～1000m)新奧法隧道大量現(xiàn)場實測（173個斷面）統(tǒng)計結果分析，獲得了噴錨襯砌支護結構的徑向接觸壓力量值區(qū)間及其分布形式，為油氣管道隧道結構設計與施工提供技術

6、支撐。
　　(6)考慮高性能噴射混凝土“早齡期力學性能演變與圍巖耦合作用”，建立三維施工力學模型，揭示油氣管道隧道早齡期噴錨支護結構受力時空分布規(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結構的組合結構評價方法，建立組合結構下噴錨永久支護結構的安全性評價方法。
　　(7)基于損傷理論，并結合室內實驗結果分析，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模

7、型，探明噴層支護結構的損傷演變規(guī)律及分布特征，確定出噴層永久支護結構損傷力學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結構安全性評價方法。
　　(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—曲率關系;給出了不同齡期時噴射鋼纖維混凝土極限狀態(tài)(Ⅰ、Ⅱ)下的開裂寬度;在此基礎上，綜合運用理論分析、數(shù)值仿真等手段，獲得不同齡期條件下，噴錨永久支護結構的內力、裂縫、塑性曲率