一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的制作方法

本发明涉及石油天然气管道工程技术领域，具体而言，涉及一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置。

背景技术：

盾构隧道是油气管道非开挖穿越的常用方式之一，盾构隧道施工完成后，需要将油气管道安装在盾构隧道内。相比地面管道安装而言，盾构隧道内安装空间受限，管道焊接及布置等安装难度较大，尤其在多条管道共用盾构隧道的特殊情况下，需要综合协调考虑管道的空间布置和应力安全等一系列问题。目前油气管道盾构隧道穿越长度不断增大，同时盾构隧道穿越受规划、环保等要求，隧道线路难以保证均为直线穿越，长距离小曲率水平曲线隧道日益增多。另外，现有的石油天然气隧道内管道安装数量一般为1～3条，多条管道并行敷设于隧道时，由于安装空间较小，两侧管道无法直接与隧道垫层锚固，油气管道需通过支墩架空敷设。

传统的混凝土支墩仅通过受力钢筋与隧道垫层进行锚固，隧道内两侧垫层较薄，受力钢筋锚固难度较大。同时，长距离曲线隧道中压力、温度等引起的管道应力较大，极易造成支墩锚固处发生破坏，管道及支墩发生位移变形，影响油气管道运营安全，导致后期的维护工作难度加大，存在严重的安全隐患。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构稳定、容易安装的长距离盾构隧道内油气管道安装固定的环形支撑装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置，该装置包括：

环形支架，其安装在盾构隧道的内壁环片上，多个所述环形支架沿盾构隧道纵向方向排列布置，相邻的所述环形支架通过环形支撑连接杆连接；

管道支架，其安装在所述环形支架的内侧底部；每个所述环形支架上至少设置一个所述管道支架，所述管道支架的顶部设置钢板；

滑动支座，其安装在所述钢板上，所述滑动支座用于支撑并安装管道。

作为本发明进一步的改进，所述管道支架包括水平横梁、支撑钢柱和斜撑，所述水平横梁所述环形支架的截面方向水平设置，所述水平横梁的一端固定在所述环形支架上，所述水平横梁的另一端与所述支撑钢柱的一端连接，所述支撑钢柱的另一端固定在所述环形支架上，用于固定支撑所述水平横梁，所述斜撑的一端固定在所述环形支架上，所述斜撑的另一端固定在所述水平横梁和所述支撑钢柱的连接处，所述钢板设置所述水平横梁上。

作为本发明进一步的改进，相邻所述环形支架上的管道支架通过纵梁连接。

作为本发明进一步的改进，所述滑动支座包括支座底板和管道支座，所述支座底板与所述钢板连接，所述管道支座设于所述支座底板的上方，所述管道固定安装在所述管道支座上。

作为本发明进一步的改进，所述管道支座为由上、下两半圆组成的环形结构，上、下两半圆之间通过高强度螺栓连接。

作为本发明进一步的改进，所述管道通过u型管箍固定在所述管道支架上，所述u型管箍由钢片焊接而成，采用螺栓固定在所述管道支架上。

作为本发明进一步的改进，所述环形支架包括多个拼接段，由所述多个拼接段首尾连接组成一个完成的环形支架。

作为本发明进一步的改进，所述多个拼接段的相邻拼接段通过高强螺栓群连接。

作为本发明进一步的改进，所述支座底板与所述钢板通过螺栓连接，所述支座底板上设多个螺栓孔，所述钢板上对应位置上设置可滑移式螺栓孔。

作为本发明进一步的改进，每个所述环形支架的内侧底部设置三个所述管道支架，包括位于底部中央的一个管道支架和位于中央的管道支架两侧的两个管道支架，其中，两侧的两个管道支架的顶面高于位于中央的管道支架的顶面高度。

本发明的有益效果为：通过在盾构隧道内安装环形支撑装置，保证了油气管道运营过程中产生的全部应力均通过管道支架和滑动支座传递至环形支架处，通过环形支架均匀分散至盾构隧道整体结构中，由盾构隧道主体约束管道的位移，最大程度保证管道不因应力过大产生位移变形，确保了油气管道运营安全，解决了盾构隧道多管道敷设时，传统安装支墩不易锚固，易发生管道偏移的情况。而且可以实现在盾构隧道有限空间内并行敷设多条油气管道，空间利用率高。

附图说明

图1为本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的环形支架和管道支架的机构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的纵梁连接管道支架的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的支座底板与钢板连接结构示意图；

图4为本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的环形支架分段示意图；

图5为图4中a的结构示意图；

图6为本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的环形支撑连接杆连接环形支架的结构示意图；

图7为本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置的管道布置示意图。

图中，

1、环形支架；2、管道支架；3、水平横梁；4、支撑钢柱；5、斜撑；6、纵梁；7、环形支撑连接杆；8、高强螺栓群；9、钢板；10、支座底板；11、可滑移式螺栓孔；12、滑动支座；13、管道支座；14、管道；15、u型管箍。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例所述的一种盾构隧道内油气管道安装环形支撑装置，如图1所示，该装置包括：环形支架1、管道支架2、和滑动支座12；环形支架1安装在盾构隧道的内壁环片上，多个环形支架1沿盾构隧道纵向方向排列布置，相邻的环形支架1通过环形支撑连接杆7连接；由于环形支架1与管道支架2仅在隧道截面方向形成统一整体，隧道轴向上装置可以保持稳定，但沿隧道掘进方向环形支架1为独立个体，无法在隧道纵向方向保持结构稳定，因此在环形支架1间设置环形支撑连接杆7增加装置在隧道纵向方向的稳定性。如图6所示，盾构隧道内的所有环形支架1通过环形支撑连接杆7连接，环形支撑连接杆7可采用型钢，在环形支架1的上部及下部均匀焊接环形支撑连接杆7，使多个环形支架1形成统一整体，保证结构各个方向的受力稳定。管道支架2安装在环形支架1的内侧底部；每个环形支架1上至少设置一个管道支架2，管道支架2的顶部设置钢板9；滑动支座12安装在钢板9上，滑动支座12用于支撑并安装管道14。

环形支架1为该装置的核心支撑部分，管道14、滑动支座12和管道支架2的支撑力均最终位于环形支架1上，与环形支架1形成统一的整体。管道应力及装置自重等均传递至环形支架1处，通过环形支架1进行应力的均匀分散，使应力传递至盾构隧道主体中，由盾构隧道主体结构限制管道14的变形位移，避免了由于传统管道支墩锚固不牢造成管道发生位移变形的情况，确保了管道运营过程中的安全。

一种可选的实施方式，环形支架1的底部呈水平形式，环形支架1与盾构隧道的内壁中间的空隙通过混凝填充。管道支架2包括水平横梁3、支撑钢柱4和斜撑5，水平横梁3环形支架1的截面方向水平设置，水平横梁3的一端固定在环形支架1上，水平横梁3的另一端与支撑钢柱4的一端连接，支撑钢柱4的另一端固定在环形支架1上，用于固定支撑水平横梁3，斜撑5的一端固定在环形支架1上，斜撑5的另一端固定在水平横梁3和支撑钢柱4的连接处，钢板9设置水平横梁3上，滑动支座12安装在钢板9上。水平横梁3、支撑钢柱4、斜撑5三者均连接于环形支架1上，保证管道14、管道支架2及环形支架1之间形成整体受力结构。为增加装置的稳定性，相邻环形支架1上的管道支架2通过纵梁6连接，纵梁6连接管道支架2的连接方式如图2所示，纵梁6连接在水平横梁3、支撑钢柱4和斜撑5三者的相交处。支撑同一条管道14的管道支架2位于与其连接的环形支架1的相同位置。

进一步的，由于管道14受压力和温度影响产生较大的管道应力，管道支架2需要能够承受管道的自重及管道应力，需要对管道支架2进行强度、稳定性及变形计算，确定管道支架2中水平横梁3、纵梁6、斜撑5及支撑钢柱4的截面大小；考虑连接节点的抗震设计、焊接连接设计、梁柱连接设计、柱脚连接设计等。管道支架2的结构设计包括：根据图1及图2所示，建立三维结构管道支架模型，对管道支架2进行数值模拟分析，基于管道支架模型分别计算管架支架2的柱和梁的强度、稳定性和变形，根据计算确定管道支架2的水平横梁3、纵梁6、斜撑5和支撑钢柱4的截面大小，以及连接处的连接强度。其中，

管架支架2的柱和梁的强度计算公式分别为：

柱的强度计算公式为：

梁的强度计算公式为：

其中，mx、my为同一截面绕x轴和y轴的弯矩，wnx、wny为对主轴x、y的净截面模量，wn为净截面模量，γx、γy为对主轴x、y的截面塑性发展系数，γm为截面塑性发展系数，f为钢材的抗弯强度设计值，n为轴心压力，an为净截面面积。

管架支架2的柱和梁稳定性包括整体稳定性和局部稳定性，

管架支架2的柱和梁的整体稳定性的计算公式分别为：

柱的整体稳定性计算公式为：

梁的整体稳定性计算公式为：

其中，为绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数，为轴心受压构件稳定系数，βmx为等效弯矩系数，nex'为截面参数，mx、my为同一截面绕x轴和y轴的弯矩，wx、wy为截面模量，γx、γy为截面塑性发展系数，f为钢材的抗弯强度设计值，n为轴心压力，a为净截面面积。

管架支架2的柱和梁的局部稳定性的计算公式分别为：

柱的局部稳定性计算公式为：

100(235/fy)

梁的局部稳定性计算公式为：

其中，σ为所计算腹板区格内，由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力，τ为所计算腹板区格内，由平均剪力产生的腹板平均剪力，σcσcrτcrσc,cr为各种应力单独作用下的临界应力，fy为钢材的屈服强度。

管架支架2的柱和梁的变形计算公式为：

其中，qk为均布荷载，l为构件长度，e为弹性模量，ix为构件截面惯性矩，υ为构件产生的扰度。

一种可选的实施方式，滑动支座12包括支座底板10和管道支座13，支座底板10与钢板9连接，管道支座13设于支座底板10的上方，管道14固定安装在管道支座13上。钢板9设置在管道支架2的水平横梁3上，如图3所示，钢板9上根据管道14的安装位置进行螺栓孔开洞，螺栓孔为可滑移式螺栓孔11，保证施工过程中可根据实际情况进行螺栓的滑移调整，减少管道安装施工难度。滑动支座12与钢板9的连接在螺栓锚固完成后，再对支座底10板与钢板9进行焊接，保证管道14不会因为应力过大导致滑动支座与管道支架2脱离，造成管道14的位移变形。

进一步的，管道支座13为由上、下两半圆组成的环形结构，上、下两半圆之间通过高强度螺栓连接。

进一步的，管道14通过u型管箍15固定在管道支架2上，u型管箍15由钢片焊接而成，采用螺栓固定在管道支架2上。管道14安装就位后，通过u型管箍15固定在管道支架2上，管道14与u型管箍15之间设置1～2rnm的安装间隙，保证管道14可以自由伸缩，保证整个装置仅承受管道侧向应力。

一种可选的实施方式，环形支架1包括多个拼接段，由多个拼接段首尾连接组成一个完成的环形支架1。如图5所示，环形支架1与盾构隧道内壁紧密贴合，保证管道14及管道支架2荷载通过环形支架1传递至盾构隧道主体结构上。盾构隧道内壁不需要设置预埋钢板，环形支架1与隧道内壁无焊接，最大程度地降低对隧道内壁的影响，保证主体结构的安全。如图4所示，图中a处为建议拼接位置，b处为连接横梁位置。

进一步的，多个拼接段的相邻拼接段通过高强螺栓群8连接，环形支架1的设计尺寸中要比实际隧道内径略小，工厂预制生产后，在现场进行实际拼装。通过调节拼接部位的高强螺栓群8的间距，使环形支架1可以恰好顶紧隧道内壁，与隧道完美贴合。同时，高强螺栓群8可以起到承受环形支架剪力的作用，保证整体装置的稳定。其中，高强螺栓群8的角点处螺栓的受力应满足其抗剪承载力要求与控制条件，通过计算可以确定螺栓的型号及螺栓群布置方案。角点螺栓所受剪力的计算公式为：

其中，为y轴方向角点螺栓承受剪力，即为y轴方向弯矩引起的角点螺栓承受剪力，即为x轴方向弯矩引起的角点螺栓承受剪力，即mx、v分别为梁拼接处的弯矩和剪力设计值；m、n分别为螺栓的行数和列数；e为拼接缝至螺栓群中心处的偏心距；ixj、iwj分别为梁和梁腹板绕x轴的净截面惯性距；为螺栓抗剪承载力设计值。

一种可选的实施方式，每个环形支架1的内侧底部设置三个所述管道支架2，包括位于底部中央的一个管道支架2和位于中央的管道支架两侧的两个管道支架2，其中，两侧的两个管道支架2的顶面高于位于中央的管道支架2的顶面高度。如图7所示，两侧的管道通过由水平横梁3、支撑钢柱4和斜撑5组成管道支架2支撑，中间的管道通过滑动支座12直接安装在环形支架1的底部，环形支架1的底部呈水平设置。

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。