高烈度地震區油氣管道隧道抗震分析

付開偉 胡文君 胡道華 陳菡清 嚴 鵬 谷 勇中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041

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高烈度地震區油氣管道隧道抗震分析

付開偉 胡文君 胡道華 陳菡清 嚴 鵬 谷 勇
中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041

中亞天然氣管道D線工程(簡稱中亞D線)隧道眾多,隧道全部處于9度及以上的高烈度地震區,部分隧址區地震加速度峰值達0.6 g,超出目前國內所有設計規范規定的地震加速度峰值,在設計過程中沒有相應的規范及工程實例可參考,為解決該問題,開展了高烈度地震區油氣管道隧道抗震分析,以作為設計依據。為了驗證設計階段擬選復合式襯砌支護參數的準確性,通過對國內外隧道抗震計算方法及國內現行隧道抗震規范的研究,結合中亞D線實際特點,提出了適用于油氣管道隧道抗震分析的簡化方法,并以Ⅵ級圍巖為例,采用簡化方法對中亞D線隧道工程進行了抗震計算。計算結果顯示,擬選的復合式襯砌支護結構安全性系數滿足相關隧道設計規范規定的穩定性及構造要求。綜合分析表明,本文選取的抗震分析簡化方法操作性強,擬選的Ⅵ級圍巖復合式襯砌支護參數合理,可為類似油氣管道隧道的抗震分析及規范修訂提供參考。

中亞天然氣管道D線工程;油氣管道隧道;高烈度;簡化方法;抗震分析

0 前言

中亞天然氣管道D線工程(簡稱中亞D線)是我國引進中亞天然氣能源的一條大動脈,也是絲綢之路經濟帶關鍵工程,對滿足國內快速增長的用氣需求，保障我國能源供應安全具有重大意義。管道途經土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、吉爾吉斯坦止于中國新疆烏恰縣,全長約970 km。本工程有3個隧道群,均位于塔吉克斯坦境內,共設43座隧道,總長約67 km,工程總投資約8億美元。隧道處于高烈度地震區,部分隧道處于高海拔嚴寒地區,存在滑坡、崩塌、泥石流、巖溶、地質構造破碎帶等大量不良地質作用及凍土、風化巖及殘積土的特殊性巖土,諸多難點使中亞D線隧道工程成為中國天然氣長輸管道建設史上難度最大的隧道工程[1]。

1 場地地震效應

圖1 50年超越概率10 平均場地水平向地震動峰值加速度區劃圖

2 隧道結構抗震的研究方法

2.1 發展歷程

20世紀50年代前,國內外隧道及地下結構的抗震設計都是以日本學者大森房吉[5]提出的靜力理論為基礎來計算地下結構的地震作用力。60年代初,蘇聯學者在抗震研究中將彈性理論用于地下結構(擬靜力法)計算,得出了地下結構地震力的精確解和近似解。隨著科技的發展,日本學者從地震觀測資料著手,通過現場觀測、模型試驗,建立了數學模型,并結合波的多重反射理論,提出了反應位移法、應變傳遞法、地基抗力法等實用計算方法,使隧道抗震研究取得重大進展[6]。自70年代后期,上述研究成果逐步在隧道抗震設計規范中得到了應用。

2.2 研究現狀

國內外隧道抗震研究方法主要有三種:地震觀測、試驗研究以及理論計算。由于隧道抗震問題的復雜性,目前還沒有哪一種手段能夠完全實現對隧道地震動力反應進行全面而真實的解釋和模擬。目前國內外學者對地震的常用研究流程框圖,見圖2。

圖2的研究方法是研究和評價隧道抗震性能較合理的有效途徑,但存在一定的局限性,優缺點分析詳見表1。

圖2 地震的常用研究流程框圖

表1 抗震研究方法優缺點分析

研究方法優點缺點地震觀測法能客觀反映規律，真實可靠，是隧道結構抗震研究中必不可少的手段之一觀測機會難得，費用昂貴，在實際應用中受到很大的限制試驗研究法是目前研究隧道地震動力響應最有效、最直觀的方法試驗費用較高，在材料動力特性的模擬、相似關系比的確定和模型邊界條件等方面存在困難理論計算法理論成熟，易操作，被廣泛采用，費用小需對計算模型、參數、地震波等進行簡化，其計算結果難以完全反映地震的復雜特性，精度低

2.3 國內現行的隧道抗震規范現狀

我國的石油天然氣長輸管道行業管道專用隧道相比公路鐵路行業起步較晚,現行的設計規范GB 50470-2008《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》[7]、GB 50423-2013《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[8]及Q/SY 1444-2011《油氣管道山嶺隧道穿越設計規范》[4]涉及隧道抗震方面的內容很少,或缺乏足夠的重視,只有定性說明,缺乏明確、深入的研究。具體的工程建設過程中參照的隧道抗震規范主要有JTG B02-2013《公路工程抗震規范》[9]、GB 50157-2013《地鐵設計規范》[10]以及GB 50111-2006《鐵路工程抗震設計規范》[3]。

3本參照規范雖然在隧道結構具體的抗震計算方法方面涉及較少,但對隧道的抗震強度和穩定性驗算范圍以及隧道結構的抗震構造措施做了較詳細的定性規定,均能滿足實際工程的需要,定性規定包括:

1)對地震區隧道洞口位置的規定:應結合洞口段的地形和地質條件確定,并采取控制洞口邊坡和仰坡的開挖高度以及其他防止坍塌震害的措施。位于懸崖陡坡下的洞口,宜采取接建明洞或其他防止落石的措施。

2)對地震區隧道洞門的規定:隧道必須修建洞門,根據洞口段的實際地質情況選擇樁柱式或者拉錨式洞門形式,不應采用端墻式結構。

3)對地震區隧道抗震設防區段的規定:在隧道的洞口、淺埋和偏壓地段以及斷層破碎帶地段應進行抗震設防,洞口段的設防段長度可根據地形、地質條件及設防烈度確定,并不宜小于2.5倍的結構跨度,且不小于12 m。隧道宜避開近期活動的斷層破碎帶,必須通過時,應進行充分的技術論證,并有切實可靠的工程措施。

4)對地震區隧道結構及抗震措施的規定:抗震設防段的隧道宜采用復合式襯砌結構,并采用帶仰拱的曲墻式斷面形式,其隧道襯砌結構應加強。對通過活動斷裂帶的區段應同時采取圓形斷面、增大隧道斷面尺寸、預留補強空間及加密設置全環變形縫等有利的抗震構造措施。

通過對已發地震震害的調查和隧道結構的試算,3本參照規范在條文說明中對隧道的抗震強度和穩定性驗算范圍做了相應的定量規定,定量規定包括:

1)對隧道的抗震設防區段及計算方法的規定:在Ⅲ級及以上圍巖條件較差的洞口、淺埋、偏壓隧道和明洞,以及穿越不良地質地帶的區域,地震烈度大于7度時,需要進行抗震設計。

2)對抗震計算荷載組合及安全系數的規定:驗算隧道的結構抗震強度和穩定性時,地震荷載只與恒載和活載力組合。規定了隧道襯砌和明洞結構強度的安全系數,且提出了相應的地基土容許承載力等相關數值。

3)抗震計算方法的規定:由于地震系數法方便、簡明,操作性強,基本能綜合反映隧道工程的地震響應特性,規定隧道的抗震計算方法為地震系數法。但同時指出,由于地震系數法沿用了地面結構抗震設計的理念,隧道埋深是否對地震慣性力影響較大,對于深埋隧道及地震加速度較大工況下,采用地震系數法的計算結果與工程實際具有一定的誤差。由于隧道的洞徑不一致,致使各類洞徑的隧道對深埋隧道的劃分不一致,因此,需針對不同的工程、不同的地質條件對地震系數法進行合理的簡化修正,以提高其適應性。

3 隧道結構抗震計算

3.1 隧道結構抗震簡化計算方法

目前,隧道結構的簡化抗震方法主要有Wang 法、響應位移法、St.John法、等代水平地震加速度法、擬靜力法等[11-12]。本文將采用現行主要規范推薦的地震系數法進行抗震計算,地震系數法是一種附加地震力的擬靜力計算方法,在地震引起的荷載中只考慮水平地震力的作用,作用大小與水平地震系數有關,水平地震系數通過水平地震動峰值加速度表示,地震引起的水平地震力f1:

f1=·Ag·mi

(1)

同時文獻[3]強調:由于采用地震系數法計算的隧道抗震計算結果與一些宏觀震害調查情況較為接近,其抗震加強措施與非地震區隧道襯砌比較較為合理,其計算精度能滿足工程要求;同時地震系數法計算較為簡便,采用更精確的計算方法,其實際意義不大,故本文采用地震系數法進行抗震計算。

3.2 橫向水平地震加速度分布簡圖

根據文獻[3],中亞D線需在隧道洞口段、淺埋、偏壓、巖溶、軟硬巖接觸帶、危巖接觸帶、松散堆積體及斷層破碎帶等地段襯砌予以抗震設防,只考慮橫向水平地震力對結構的影響,不考慮沿隧道縱向水平地震力及豎向地震力的作用,橫向水平地震加速度分布見圖3。

圖3 隧道結構橫向水平地震加速度分布圖

3.3 抗震計算

中亞D線隧道內敷設1根Φ1 219mm輸氣管道,預留1根Φ1 219mm輸氣管道通道,考慮管道安裝、焊接、排水、維護、施工等空間要求及施工機械、運輸、通風等因素,隧道凈空斷面尺寸為4.5m×4.5m(寬×高),需抗震計算部分隧道橫斷面采用曲墻形式,隧道凈橫斷面尺寸見圖4。

圖4 隧道凈橫斷面示意圖

目前隧道抗震分析領域中較通用的有限元軟件主要有:FLUSH、SASSI、FLAC、ABAQUS以及ANSYS等。本文采用ANSYS進行抗震計算,初期支護的驗算采用地層-結構模型將圍巖與初支作為整體分析,二襯采用考慮圍巖彈性反力的荷載-結構模型進行計算[13]。本隧道工程采用復合式襯砌,考慮到工程的特殊性,需加強初期支護,初期支護承受全部圍巖荷載,二次襯砌作為安全儲備。本次計算選取最不利的Ⅵ級圍巖曲墻式斷面作為算例,地震加速度按0.6g計,Ⅵ級圍巖擬選取的復合式襯砌支護參數見表2。

表2 Ⅵ級圍巖復合式襯砌支護參數

項目數量初期支護 C20素砼厚度/mm200 Φ22錨桿長度/m3 Φ22錨桿間距/m1 Φ6鋼筋網/mm2200×200 I16工字鋼/m0 5二襯 C30鋼筋砼厚度/mm450

3.3.1 初期支護計算

3.3.1.1 圍巖物理力學參數

Ⅵ級圍巖物理力學參數的選取主要根據設計規范、設計手冊以及中亞D線巖土工程勘察報告,具體取值見表3。

3.3.1.2 材料參數

噴射混凝土、型鋼的力學參數見表4～5。根據工程經驗,Φ22砂漿錨桿僅考慮鋼筋極限強度作為破壞標準,抗拉剛度采用鋼筋抗拉剛度EA,E為鋼筋彈性模量,A為鋼筋面積,見表6。

表3 圍巖物理力學指標值

圍巖級別彈性抗力系數/(MPa·m-1)彈性模量/MPa圍巖重度γ/(kN·m-3)內摩擦角Φ/(°)內聚力c/kPa泊松比υⅥ級8080017211000 4

表4 噴射混凝土力學參數

噴射混凝土強度等級彈性模量/GPa泊松比υ重度γ/(kN·m-3)C20210 222

表5 型鋼力學參數

圍巖級別型鋼種類彈性模量/GPa泊松比υ間距/mⅥ級I162000 30 5

初期支護參數采用噴射混凝土與型鋼共同作用的等效參數;錨桿按圍巖級別設計參數計算。

表6 錨桿參數

錨桿型號直徑/mm材料錨桿抗拉剛度EA/(kN·m-1)砂漿錨桿22HRB40076020

鋼架和噴射混凝土形成整體,采用剛度折減法得到等效后均質材料抗彎剛度,等效公式如下:

EI=EsIs+EcIc

(2)

式中:E、I分別為等效后均質材料彈性模量，GPa和慣性矩，cm4;Es、Is分別為型鋼的彈性模量，GPa和慣性矩,cm4;Ec、Ic分別為噴射混凝土的彈性模量,GPa和慣性矩，cm4。

Ⅵ級圍巖:噴層厚度為20cm,等效后厚度不變。噴層,Ec=21GPa,Ic=bh3/12,b=50cm,h=20cm,故Ic=33 334cm4;I16型鋼,Es=200GPa,Is=1 127cm4;等效參數,令I=Ic,則E=27.76GPa。

3.3.1.3 計算模型及邊界條件

有限元計算的相關條件、初始地應力、屈服準則及計算步驟參照文獻[14]執行。

圖5 初期支護有限元計算模型

計算范圍:由工程經驗得知,計算模型左右邊界取隧道跨度的3～4倍,本文計算模型左右水平計算范圍均取 20m(大于3倍隧道跨度),垂直計算范圍向上取至地表,向下取 20m(大于3倍隧道高度)。

邊界條件:模型上側為自由邊界,兩側約束水平方向自由度,初期支護有限元計算模型見圖5。

單元類型:由于隧道斷面較小,采用全斷面進行開挖,模擬選取的單元見表7。

表7 模擬選取的單元

項目單元類型圍巖平面42錨桿桿1初期支護梁3

3.3.1.4 計算結果

1)隧道位移:隧道洞壁水平方向最大位移量48.9mm,發生于隧道曲墻中部,隧道洞壁豎直方向最大位移量23.6mm,發生在隧道拱頂。

2)隧道圍巖主應力與塑性區:隧道腳部直角部位出現剪應力集中,第一主應力最大值為0.56MPa,圍巖塑性區主要分布在底板直角處、邊墻和拱頂部位,初期支護中的錨桿、鋼拱架、噴射混凝土未發生屈服破壞。

3.3.2 二襯結構計算

3.3.2.1 荷載等效高度及淺埋隧道分界深度

荷載等效高度及淺埋隧道分界深度按照文獻[15]推薦公式計算,通過計算,試驗段Ⅵ級圍巖荷載等效高度hq為2.99m;深埋、淺埋隧道分界深度為7.5m。

3.3.2.2 荷載計算

二襯作為安全儲備,二襯荷載的導入按文獻[3，15]進行計算,計算結果見表8。

表8 Ⅵ級圍巖二襯荷載計算

斷面位置等效荷載高度/m豎直向荷載/(kN·m-1)水平側向荷載/(kN·m-1)地震引起的側向荷載/(kN·m-1)Ⅵ級圍巖2 99511711 3

3.3.2.3 結果分析

采用荷載-結構模型進行二襯結構抗震計算,采用抗壓彈簧模擬地層抗力,梁單元模擬襯砌結構,各控制斷面內力與應力計算結果見表9。

表9 控制斷面內力與應力計算結果

截面位置軸向力N/kN剪力Q/kN彎矩M/(kN·m)外緣應力s壓/kPa內緣應力s拉/kPa裂縫寬度/mm曲墻30 3-46 3-5 7777 45-550 550 18底部47 4-107 2-35 81172 47-204 860 16拱部40 4-15 123 81674 26-477 590 172

4 隧道抗震設防措施

隧道抗震設防只注重結構的強度,而忽視了結構的變形能力,因此,根據抗震概念設計原則,需對襯砌結構各細部采取必要的抗震構造措施,以確保襯砌結構的變形協調能力,本隧道工程采取以下主要抗震措施:

1)隧道位置應選擇在穩定的地層中,不宜穿越工程地質、水文地質極為復雜和溶洞、暗河、煤層采空區等嚴重不良地質地段。當必須通過時,應有充分的理由和可靠的工程措施,同時建議隧道采用圓形斷面,襯砌內緣預留結構變形及補強空間,預留變形及補強空間采用泡沫混凝土填充。

2)洞口應避免建在滑坡、巖堆和泥石流等處。在施工方面,盡量降低洞口段邊仰坡開挖高度,在洞門端墻與襯砌環框間及端墻與錨固樁連接處均設置連接鋼筋或設置榫頭等抗震連接措施。

3)采用有利于抗震的樁柱式或者拉錨式洞門形式,其端墻結構采用模筑鋼筋混凝土整體灌注,洞門與洞口段襯砌同時施工,混凝土強度等級不低于C30。洞口設防段的長度可根據地形、地質條件及設防烈度確定,且不得小于12m。

4)抗震設防段采用鋼筋混凝土結構,并滿足耐久性相關要求;采用帶仰拱的曲墻斷面能確保既具有較好的承載能力和變形能力,又具有合適的剛度;抗震設防段與一般地段之間應設置過渡段,過渡段的長度一般不小于10m,以確保襯砌剛度的連續性。

5)為誘導襯砌結構的整體變形,以減輕結構開裂或錯臺等震害,抗震設防段每隔20m、洞口段每隔6m設置一道全環變形縫。

5 結論

1)油氣管道隧道可采用簡化的地震系數法進行隧道結構的抗震分析,該方法易被工程技術人員接受,故在具體工程抗震設計中具有很強的實用性。

2)通過對中亞D線隧道工程擬選復合式參數的抗震分析,在9度(地震加速度峰值為0.6g)地震作用下,Ⅵ級圍巖塑性區主要分布在底板直角處、曲墻和拱頂部位,初期支護中的錨桿、鋼拱架、噴射混凝土未發生屈服破壞,隧道最大變形量為48.9mm,初支安全系數為2.02,二襯最大裂縫為0.18mm,二襯安全系數為2.67,滿足GB50111-2006《鐵路工程抗震計規范》中的相關要求,擬選的Ⅵ級圍巖復合式襯砌參數合理,但二襯與初支之間的預留變形量需大于50mm。

3)對襯砌結構各細部采取必要的抗震構造措施,使襯砌結構具有更好的變形協調能力。

4)本文的研究成果填補了石油天然氣行業隧道工程高烈度地區抗震設計的空缺,可以為類似石油天然氣管道隧道工程的抗震分析及規范修訂提供參考。但隧道抗震計算受隧道埋深、結構構造、地質條件等因素影響,建議通過現場的監控量測數據不斷修正計算參數,在實踐中積累資料以趨完善。

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[7]GB50470-2008,油氣輸送管道線路工程抗震技術規范[S].GB50470-2008,SeismicTechnicalCodeforOilandGasTransmissionPipelineEngineering[S].

[8]GB50423-2013，油氣輸送管道穿越工程設計規范[S].GB50423-2013,CodeforDesignofOilandGasTransportationPipelineCrossingEngineering[S].

[9]JTGB02-2013,公路工程抗震規范[S].JTGB02-2013,SpecificationofSeismicDesignforHighwayEngineering[S].

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2015-02-05

中國石油天然氣集團公司重大專項資助項目“惡劣環境下中亞天然氣管道D線的安全環保節能核心技術與工程應用”(6995-HT-XEX-04-2013-0125)

付開偉(1973-)，男，四川大邑人，高級工程師，學士，主要從事石油天然氣長輸管道工程的設計及研究工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.001