一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法与流程

本发明涉及管道一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，属于管道工程技术领域。

背景技术：

目前，隧道内管道抗漂浮管卡和连接件通常采用普通钢构件加防腐措施(如牺牲阳极和膏状物包覆的联合防护方案)或者是不锈钢构件。对于普通钢构件的管卡，无论采用何种防腐措施，除了防腐施工自身质量难以保证外，管卡运输、安装施工都难免会对防腐结构造成损伤。对于牺牲阳极保护，对规则形状的管卡有一定的防护作用，但对于非规则构件，如螺栓、铰接结构等连接部件，其与主结构件之间的接触电阻较大，其表面电流分布不均，牺牲阳极无法对其进行有效的保护作用，其防护效果不好。同时，采用膏状物包敷螺栓等连接件，也存在密封不严诱发缝隙腐蚀。

而对于不锈钢构件方案，除投资高外，其使用条件也受到一定限制。以海底隧道穿越为例，由于海水中高浓度氯盐的存在，不锈钢连接构件的腐蚀更加难以控制，传统的不锈钢单一防腐措施很难达到腐蚀控制效果。

由于管道支墩采用普通碳钢钢筋，不锈钢锚固件与碳钢钢筋连接，两者存在因电位差导致的电偶腐蚀问题，这将大大加速钢筋腐蚀速度。这种电偶腐蚀可能造成钢筋锈蚀而管道支墩及其他锚固设施失效。

而GFRP是以高分子树脂为基体，以玻璃纤维为增强体复合而成的复合材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优良特性，可作为钢筋、钢锚杆及钢质锚固件的替代材料等在国内煤炭、交通、市政领域有着一定的应用，形成了《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》GB50608-2010等标准。

技术实现要素：

为解决钢质管卡与连接件存在的腐蚀和防护难题，本发明的目的在于提供一种无腐蚀的水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，为以后满足使用要求的管道工程抗漂浮提供设计和计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，包括以下步骤：

步骤1，根据水域盾构隧道穿越管道充水运营工况计算管道的延米漂浮设计荷载q；

步骤2，根据管道材料特性、输送介质特性及管道运营环境条件确定管道跨距L；

步骤3，根据步骤1确定的管道延米漂浮设计荷载q及步骤2确定的管道跨距L，确定抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q，其中抗漂浮锚固件包括铺底混凝土配重层，管道通过管卡固定在铺底混凝土配重层上，所述管卡沿管道的两侧分别设有与GFRP锚固螺杆相对应的螺栓孔；

步骤4，根据步骤3中的抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和铺底混凝土配重层高度h，确定铺底混凝土配重层长度L₁；

步骤5，对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计；

步骤6，确定GFRP锚固螺杆的数量n；

步骤7，根据步骤6确定的单侧GFRP锚固螺杆数量n/2，结合GFRP锚固螺杆施工空间要求，确定管卡的长度B；根据抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度f_u计算确定管卡厚度b；根据单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度f_v计算确定管卡底板厚度a；

步骤8，完成水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计。

进一步的，步骤1中的管道的延米漂浮设计荷载q根据下式计算：

式中，q为管道延米漂浮设计荷载，k为抗漂浮稳定系数，OD为管道外直径(m)，ID为管道内径(m)，ρ_w为水密度(kg/m³)，ρ_g为输送介质密度(kg/m³)，G_p为管道延米重量(N/m)。

进一步的，步骤3中抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q根据下式计算得到：Q＝qL。

进一步的，步骤4中确定铺底混凝土配重层长度L₁包括以下步骤：

步骤4.1，确定铺底混凝土配重层的延米配重G_h：

式中，R_t为盾构隧道内直径(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，L₁为铺底混凝土配重层长度(m)，ρ_h为铺底混凝土配重层密度(kg/m³)，ρ_w为水密度(kg/m³)；

步骤4.2，确定铺底混凝土配重层长度L₁：

进一步的，步骤5中对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计包括以下步骤：

步骤5.1，确定GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度f_u：

式中，f_k为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度标准值，γ_s为GFRP材料的抗拉强度标准值保证率，γ₁为GFRP材料的分项系数，γ_e为GFRP材料的环境影响系数；

步骤5.2，确定铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋面积A_s：

式中，A_s为铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋面积(m²)，G_h为铺底混凝土配重层的延米配重(N/m)，L₁为铺底混凝土配重层长度(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，a_s为铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋保护层厚度(m)。

进一步的，步骤6中确定GFRP锚固螺杆的数量n包括以下步骤：

步骤6.1，设定GFRP锚固螺杆的数量n，根据GFRP锚固螺杆的数量n确定单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆公称外径d：

步骤6.2，由GFRP锚固螺杆公称外径d根据下式计算确定GFRP锚固螺杆在铺底混凝土配重层内的最小锚固长度L_a：

验证铺底混凝土配重层最短侧锚固空间是否满足最小锚固长度L_a；

步骤6.3，当铺底混凝土配重层最短侧锚固空间满足最小锚固长度L_a时，所设定的GFRP锚固螺杆的数量n满足要求；当所述GFRP锚固螺杆的锚固长度L_a因空间受限无法满足时，则在所述GFRP锚固螺杆底部加设墩头或双螺母，GFRP墩头锚固螺杆的最小锚固力N_L、GFRP墩头锚固螺杆的数量n、GFRP墩头锚固螺杆的墩头高度h_L分别为：

式中，L_a为GFRP锚固螺杆在铺底混凝土配重层内的最小锚固长度(m)，f_u为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度，k₁为GFRP锚固螺杆设计安全系数，k₂为GFRP锚固螺杆设计抗拔安全系数，f_t为铺底混凝土配重层的轴心抗拉设计强度，D为GFRP墩头锚固螺杆的墩头外径，h_L为GFRP墩头锚固螺杆的墩头高度，f_v为GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度。

进一步的，GFRP墩头锚固螺杆的墩头外径D为1.7d。

进一步的，步骤7中所述GFRP锚固螺杆施工空间要求为GFRP锚固螺杆中心间距不小于2.5d，GFRP锚固螺杆中心距管卡的边缘不小于1.5d。

进一步的，管卡厚度b和管卡底板厚度a分别根据下式计算得到：

f_u为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度，f_v为GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度。

进一步的，所述GFRP锚固螺杆沿管道的两侧布置，且每侧GFRP锚固螺杆的个数为奇数。

本发明的有益效果为：

本发明针对管道工程水域盾构隧道穿越管道提出了无腐蚀的GFRP抗漂浮设计方案，为今后GFRP抗漂浮体系在水域盾构隧道穿越管道工程的应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明所述水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮装置结构示意图；

图2为本发明所述GFRP紧固件结构示意图；

图3a和图3b分别为GFRP管卡参数示意图；

图4为本发明所述GFRP管支座结构示意图；

其中，1-GFRP管卡，2-GFRP管支座，3-GFRP紧固件，4-GFRP螺帽，5-GFRP螺杆，6-GFRP端头，7-管道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

某输气管道工程管道外直径OD为1219mm，管道内直径ID为1182mm，管道延米重量G_p为5370N/m，介质密度为70kg/m³。盾构隧道直径为3.08m，隧道充水运营，根据运营条件要求，管道设计跨径L为30m，管道支墩及铺底配重层采用C30钢筋混凝土，铺底混凝土配重层最大厚度h为0.7m。

一种水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法，基于水域盾构隧道GFRP穿越管道的抗漂浮装置，如图1所示，盾构隧道内侧底部设有铺底混凝土配重层，所述铺底混凝土配重层上方设有GFRP管支座2，所述GFRP管支座2为与所述管道7相对应的弧形支座，管道7放置于所述GFRP管支座2上，且所述管道7的外周通过GFRP管卡1固定，所述GFRP管卡1底部设有管卡底板，所述GFRP紧固件3沿GFRP管卡1两侧均匀布置，GFRP紧固件3依次穿过管卡底板和铺底混凝土配重层以固定所述GFRP管卡1，所述GFRP紧固件3即为GFRP锚固螺杆。如图2所示，GFRP紧固件3包括GFRP螺帽4、GFRP螺杆5和GFRP端头6，所述GFRP螺杆5和GFRP端头6分别伸入铺底混凝土配重层中，所述GFRP螺帽4位于管卡底板上方。

所述水域盾构隧道GFRP穿越管道的抗漂浮设计方法包括铺底混凝土配重土设计、管卡设计和GFRP锚固螺杆设计，具体的，包括以下步骤：

步骤1，根据水域盾构隧道穿越管道充水运营工况计算管道的延米漂浮设计荷载q：

式中，q为管道延米漂浮设计荷载；k为抗漂浮稳定系数，可取1.15；OD为油气管道外直径(含防腐层)，取1.219m；ID为油气管道内径，取1.182m；ρ_w为水密度，取1000kg/m³；ρ_g为输送介质密度，取70kg/m³；G_p为管道延米重量5370N/m。

计算得到q＝1.15(11443.2-753.1-5370)＝6118N/m。

步骤2，根据管道材料特性、输送介质特性及管道运营环境条件确定管道跨距L；

本步骤为管道跨度的基本计算步骤，可采用相关规定及方法计算，本实施例中选取L为30m。

步骤3，根据步骤1确定的管道延米漂浮设计荷载q及步骤2确定的管道跨距L，确定抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q：

Q＝qL＝6118×30＝183540N

其中抗漂浮锚固件包括铺底混凝土配重层，管道通过管卡固定在铺底混凝土配重层上，所述管卡沿管道的两侧分别设有与GFRP锚固螺杆相对应的螺栓孔，所述管卡的材料同为GFRP。

步骤4，根据步骤3中的抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和铺底混凝土配重层高度h，确定铺底混凝土配重层长度L₁，具体包括以下步骤：

步骤4.1，确定铺底混凝土配重层的延米配重G_h：

式中，R_t为盾构隧道内直径(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，L₁为铺底混凝土配重层长度(m)，ρ_h为铺底混凝土配重层密度(kg/m³)，ρ_w为水密度(kg/m³)；

步骤4.2，确定铺底混凝土配重层长度L₁：

步骤5，对铺底混凝土配重层进行配筋计算与设计，具体包括以下步骤：

步骤5.1，确定GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度f_u：

式中，f_k为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度标准值，取550MPa；γ_s为GFRP材料的抗拉强度标准值保证率，取0.95；γ₁为GFRP材料的分项系数，取1.4；γ_e为GFRP材料的环境影响系数，取1.6；

步骤5.2，确定铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋面积A_s：

式中，A_s为铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋的最小面积(m²)，G_h为铺底混凝土配重层的延米配重(N/m)，L₁为铺底混凝土配重层长度(m)，h为铺底混凝土配重层高度(m)，a_s为铺底混凝土配重层顶部GFRP受拉钢筋保护层厚度(m)，一般为30-50mm。

步骤6，确定GFRP锚固螺杆的数量n，具体包括以下步骤：

步骤6.1，所述GFRP锚固螺杆沿管道的两侧布置，且每侧GFRP锚固螺杆的个数为奇数，假定每侧设3个GFRP锚固螺杆，两侧共布设6个GFRP锚固螺栓，根据GFRP锚固螺杆的数量n，确定单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆公称外径d：

参考《玻璃纤维增强复合材料筋基坑工程应用技术规范》DGJ32/TJ162-2014的有关规定，锚杆杆体为全螺纹式，杆体肋高1.4±0.2mm，螺距10±0.3mm；GFRP锚固螺杆杆体外径应为15.83+(1.4±0.2)x2＝18.63±0.4，故可选d＝20mm的GFRP锚固螺杆。

步骤6.2，根据GFRP锚固螺杆公称外径d计算确定GFRP锚固螺杆在铺底混凝土配重层内的锚固长度L_a，验证L_a是否同时满足下式：

L_a≥20d＝0.02×20＝0.4＝400mm，

铺底混凝土配重层内的最小锚固长度应取477.7mm。

步骤6.3，本实施例中最短侧锚固净空间235mm，扣除端头高度，暂按锚固长度L_a为0.2m计算，因此如自身锚固长度因空间受限无法满足计算的锚固长度477mm的要求，则在所述GFRP锚固螺杆底部加设墩头或双螺母，墩头外径一般为1.7d。

GFRP墩头锚固螺杆的最小锚固力N_L、GFRP墩头锚固螺杆的数量n、GFRP墩头锚固螺杆的墩头高度h_L分别为：

故取n＝10，单侧5个GFRP墩头锚固螺杆。

式中，L_a为GFRP锚固螺杆在铺底混凝土配重层内的最小锚固长度(m)，f_u为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度，k₁为GFRP锚固螺杆设计安全系数可取1.5，k₂为GFRP锚固螺杆设计抗拔安全系数，可取1.4，f_t为铺底混凝土配重层的轴心抗拉设计强度，D为GFRP墩头锚固螺杆的墩头外径，一般为1.7d，h_L为GFRP墩头锚固螺杆的墩头高度，f_v为GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度。

步骤7，根据步骤6确定的单侧GFRP锚固螺杆数量n/2，结合GFRP锚固螺杆施工空间要求(GFRP锚固螺杆中心间距d₂不小于2.5d，GFRP锚固螺杆中心距管卡的边缘d₁不小于1.5d)，确定管卡的长度B；根据抗漂浮锚固件的抗漂浮设计荷载Q和GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度f_u计算确定管卡厚度b；根据单个GFRP锚固螺杆拉力N和GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度f_v计算确定管卡底板厚度a：

根据GFRP锚固螺杆布置要求，管卡最小长度为：

B＝4x2.5d+2x1.5d＝13d＝13x0.02＝0.26m；

f_u为GFRP锚固螺杆的抗拉设计强度，f_v为GFRP锚固螺杆的抗剪设计强度。

设计时可根据材料加工要求对计算所得的a、b值进行放大调整。

步骤8，完成水域盾构隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。