油气管道隧道喷锚永久支护结构及其设计方法研究

摘要

以“一带一路”为契机，油气管道合作全面开启，目前中国正在筹划和建设多条能源通道，至2020年油气管道总里程将超过15万km。油气管线的建设将成为未来政府主导投资发力点，山区管道隧道穿越成为常态化控制性工程，隧道工程的修建质量直接关系到油气生命线建设质量和运营安全。
　　现阶段管道隧道结构（断面小、纵坡大）采用传统复合式村砌，施工缓慢，工程造价高、甚至安全性差。从中国油气管道隧道建设战略需求出发，要满足高质量和安全性保障要求，面临着大量从未遇到过的新技术挑战。因此针对油气管道隧道展开喷锚永久支护结构及其设计方法研究，为现行《油气管道山岭隧道设计规定》的修订与完善提供技术支撑，具有科学理论价值及重大工程实际意义。
　　论文以中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“油气管道隧道喷锚衬砌支护结构及结构安全性研究”(项目批准号:XVQ-V-52(50)-2013）为依托，采用理论分析、工程类比、室内试验、数值分析和现场测试相结合的方法，针对油气管道隧道喷锚永久支护结构及其设计方法，展开系统性研究，主要成果和结论如下:
　　(1)基于工程类比、现场测试等手段，结合国内外现行的喷锚永久支护结构规范，确定油气管道隧道预设计阶段喷锚永久支护结构设计参数，并通过现场松动圈测试验证锚杆设计参数的合理性。
　　(2)提出高性能喷射（钢纤维）混凝土配合比设计方法，通过基本力学性能试验及耐久性能试验的结果表明:6种配合比设计强度均达到C35技术标准要求，其中掺入纤维后的配比在韧性和耐久性能方面表现优异。
　　(3)基于室内试验，揭示高性能喷射混凝土早期力学的作用机理，探明不同龄期下高性能喷射混凝土的力学性能，并针对早期力学性能给出建议配合比;在此基础上，综合运用理论分析、工程实践等手段，提出了考虑钢纤维分布系数的喷射混凝土早期力学性能（粘结强度、等效弹性模量、抗压强度）计算方法。
　　(4)基于离散元方法，模拟喷射钢纤维混凝土生成过程，采用实际喷射混凝土配合比，建立三维离散元喷射钢纤维混凝土非线性力学模型，针对钢纤维混凝土应力-应变曲线对力学模型进行宏观标定，探明基本力学数值试验（单轴抗压、四点弯曲）中喷射混凝土（素、钢纤维）裂缝、接触应力、韧性发展规律，从细观层面揭示喷射钢纤维混凝土的破坏特征及增韧机理。
　　(5)基于不同跨度(3.3m～32m)、围岩级别(Ⅱ～Ⅴ)、埋深(5m～1000m)新奥法隧道大量现场实测（173个断面）统计结果分析，获得了喷锚衬砌支护结构的径向接触压力量值区间及其分布形式，为油气管道隧道结构设计与施工提供技术支撑。
　　(6)考虑高性能喷射混凝土“早龄期力学性能演变与围岩耦合作用”，建立三维施工力学模型，揭示油气管道隧道早龄期喷锚支护结构受力时空分布规律及形变特征;基于叠加理论，考虑喷射混凝土的硬化特性，提出适用于喷锚永久支护结构的组合结构评价方法，建立组合结构下喷锚永久支护结构的安全性评价方法。
　　(7)基于损伤理论，并结合室内实验结果分析，提出喷射钢纤维混凝土损伤因子的确定方法，建立了高性能喷射钢纤维混凝土弹塑性损伤力学模型，探明喷层支护结构的损伤演变规律及分布特征，确定出喷层永久支护结构损伤力学行为下极限破坏状态，提出了考虑损伤因子的喷层永久支护结构安全性评价方法。
　　(8)基于高性能喷射钢纤维混凝的早龄期拉伸软化性能试验研究，得到了高性能喷射钢纤维混凝土早龄期下弯矩—曲率关系;给出了不同龄期时喷射钢纤维混凝土极限状态(Ⅰ、Ⅱ)下的开裂宽度;在此基础上，综合运用理论分析、数值仿真等手段，获得不同龄期条件下，喷锚永久支护结构的内力、裂缝、塑性曲率分布特征;基于极限状态法，提出考虑高性能喷射混凝土耐久性的评价方法。
　　(9)以“极限状态设计方法”为基础，综合分析衬砌结构的损伤特性以及施工全过程中组合结构的安全性，采用双控双指标（极限状态方法、安全系数法）校核标准对喷锚永久支护过程中的安全性进行评价，最终建立考虑衬砌结构安全性以及耐久性相统一的设计方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．1．2 选题的学术意义

1．2．1 喷射纤维混凝土增韧机理研究

1．2．1 油气管道隧道喷锚永久衬砌结构材料性能

1．2．2 喷锚永久衬砌作用机理

1．2．3 油气管道隧道喷锚永久护结构设计方法

1．2．4 油气管道隧道喷锚永久护结构安全性评价方法研究

1．3 研究内容

1．4 技术路线

第2章 油气管线隧道喷锚永久支护结构适用性研究

2．1 问题的提出

2．2 以工程类比为主喷射永久支护结构设计方法研究

2．2．1 喷锚永久支护衬砌设计原则概述

2．2．2 喷锚永久支护参数选取

2．2．3 数值解析

2．3．1 锚杆支护作用机理

2．3．2 经验法设计

2．3．3 松动圈理论设计

2．3．4 数值解析设计方法

2．3．5 喷锚永久支护结构锚杆支护参数确定

2．4．1 喷锚永久衬砌与常规衬砌的经济性对比

2．4．2 经济效益对比分析

2．4．3 工期对比

2．5 本章小结

第3章 喷锚永久支护结构高性能混凝土试验研究

3．1 问题的提出

3．2．1 混凝土各原材料性能试验

3．2．2 基准混凝土配合比设计

3．2．3 高性能喷射混凝土配合比经济性分析

3．2．4 高性能喷射混凝土试件制作

3．3 隧道结构高性能喷射混凝土力学性能试验研究

3．3．1 高性能喷射混凝土抗压力学性能试验

3．3．2 高性能喷射混凝土与围岩粘结性能试验

3．3．3 劈裂抗拉试验

3．3．4 抗折试验

3．3．5 韧性性能试验研究

3．4 高性能喷射混凝土耐久性试验

3．4．1 密实性试验

3．4．2 硫酸盐腐蚀试验

3．4．3 喷射钢纤维混凝土抗冻性能研究

3．5 本章小结

第4章 基于离散元法的喷射混凝土数值力学实验研究

4．1 问题的提出

4．2 参数标定

4．2．1 标定结果

4．3 数值试验级配确定

4．4 喷射混凝土单轴数值试验

4．4．1 建立数值模型

4．4．2 应力应变曲线分析

4．4．3 喷射混凝土试件的破坏过程对比分析

4．5 喷射混凝土弯曲韧性数值试验研究

4．5．1 数值模型建立

4．5．2 试件测点布置

4．5．3 试件损伤与破坏分析

4．6 本草小结

第5章 早龄期喷射混凝土力学性能演变与围岩耦合作用

5．1 问题的提出

5．2 围岩与喷锚永久支护作用压力分析

5．3 喷锚永久支护荷载作用机理

5．4 现场实测围岩压力统计分析

5．4．1 统计断面特征分析

5．4．2 现场实测数据统计特征分析

5．4．3 现场实测断面内分布特征分析

5．5 高性能混凝土早期力学性能研究

5．5．1 钢纤维对喷射混凝土早期强度的作用机理

5．5．2 钢纤维混凝土早龄期抗压强度预测模型

5．6 高性能混凝土早期粘结性能力学性能研究

5．6．1 钢纤维掺量对喷射钢纤维混凝土／围岩早期力学性能的影响

5．6．2 钢纤维喷射混凝土与围岩粘结强度的作用机理

5．6．3 钢纤维混凝土各龄期粘结强度预测模型

5．7 考虑喷射混凝土硬化特性材料性能计算

5．8 本革小结

第6章 喷锚永久支护结构承载能力研究

6．1 问题的提出

6．2 基于结构构件理论下喷锚永久支护结构承载能力研究

6．2．1 喷射混凝土安全性评价

6．2．2 型钢喷射混凝土承载能力安全性评价

6．2．3 数值计算模型

6．2．4 统一强度理论

6．2．5 时间空间效应

6．2．6 不同工况结果

6．3 基于损伤弹塑性模型喷锚永久支护结构极限承载力能力研究

6．3．2 喷锚永久支护结构计算参数

6．3．3 衬砌结构损伤演化过程

6．3．4 基于损伤力学喷锚永久支护结构安全性评价

6．4 本革小结

第7章 基于极限状态法喷锚永久支护结构耐久性评价方法研究

7．1 问题的提出

7．2 高性能喷射混凝土早龄期拉伸软化性能试验研究

7．2．1 四点弯曲切口梁试验

7．2．2 不同梁高开裂高度

7．2．3 极限状态

7．2．4 拉伸软化曲线

7．2．5 早龄期高性能喷射混凝土弯曲曲率计算

7．3 有限元计算

7．3．1 概述

7．3．2 计算工况

7．3．3 计算参数

7．3．4 计算结果

7．4 喷锚永久支护结构设计方法

7．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研项目

参与的科研项目和获得的成果与奖励