一种水域钻爆隧道穿越管道的GFRP抗漂浮设计方法与流程

本发明涉及一种水域钻爆隧道穿越管道的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。

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，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管道工程水域钻爆隧道穿越管道的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了设计和计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种水域钻爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮设计方法，包括以下步骤：

步骤1，根据水域钻爆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管卡和gfrp锚固螺杆，且通过所述管卡和gfrp锚固螺杆将管道固定在混凝土管道支墩上，所述混凝土管道支墩与钻爆隧道底部岩石段连接，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，其中，每侧的gfrp锚固螺杆个数均为奇数，且gfrp锚固螺杆长度满足施工空间要求；

步骤4，确定单个gfrp锚固螺杆拉力nl、gfrp锚固螺杆的数量n和gfrp锚固螺杆公称外径d；

步骤5，根据步骤4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fu计算确定管卡厚度b；根据单个gfrp锚固螺杆拉力nl和gfrp锚固螺杆的抗剪设计强度fv计算确定管卡底板厚度a；

步骤6，完成水域钻爆隧道穿越管道的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)，ρw为水密度(kg/m³)，ρg为输送介质密度(kg/m³)，gp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中的单个gfrp锚固螺杆拉力nl、gfrp锚固螺杆的数量n和gfrp锚固螺杆公称外径d根据下式确定：

式中，fu为gfrp锚固螺杆的抗拉设计强度，fk为gfrp锚固螺杆的抗拉设计强度标准值，γs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，γe为gfrp材料的环境影响系数，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，qsk为gfrp锚固螺杆与岩石间的粘接强度标准值，d为gfrp锚固螺杆的施工成孔直径(m)，l4为gfrp锚固螺杆在岩石段内的长度(m)。

进一步的，步骤5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：

fu为gfrp锚固螺杆的抗拉设计强度，fv为gfrp锚固螺杆的抗剪设计强度。

本发明的有益效果为：

本发明针对管道工程水域钻爆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穿越管道抗漂浮体系在管道穿越工程的应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明所述水域钻爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮装置结构示意图；

图2和图3分别为gfrp管卡参数示意图；

其中，1-gfrp管卡，2-gfrp锚固件，3-管道，4-混凝土管道支墩。

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。

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gp为5370n/m，介质密度为70kg/m³。钻爆隧道为3.0mx3.0m的直墙半圆拱形，隧道充水运营，根据运营条件要求，管道设计跨径l为30m，管道支墩采用c30钢筋混凝土，隧道岩体为中风化花岗岩。

水域钻爆隧道穿越管道gfrp抗漂浮设计方法，基于一种水域钻爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮装置，如图1所示，水域钻爆隧道底部设有隧道底板，水域钻爆隧道底部还设有水沟，混凝土管道支墩4穿过所述隧道底板与底部岩石段固定连接，所述混凝土管道支墩4顶部设有与管道3相对应的弧形凹槽，管道3放置于所述混凝土管道支墩4上方，且所述管道3外周通过gfrp管卡1固定，所述gfrp管卡1底部通过gfrp锚固件2固定在混凝土管道支墩4上。具体的，所述gfrp管卡1底部设有管卡底板，所述gfrp锚固件2依次穿过管卡底板、混凝土管道支墩4和岩石段以固定所述gfrp管卡1。所述gfrp锚固件2为gfrp锚固螺杆，且沿gfrp管卡1两侧均匀布置。

gfrp锚固螺栓的加工总长度包括锚杆外露长度l1、管道支撑高度l2、混凝土管道支墩有效高度l3和岩石段锚固长度l4，其中管道支撑高度l2根据管道直径和支撑角度计算确定，岩石段锚固长度l4由计算锚固力综合确定。

所述水域钻爆隧道穿越管道的gfrp抗漂浮设计方法包括以下步骤：

步骤1，根据水域钻爆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，取1.15，od为管道含防腐层外直径，取1.219m，id为管道内径，取1.182m，ρw为水密度，取1000kg/m³，ρg为输送介质密度70kg/m³，gp为管道延米重量，取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管卡和gfrp锚固螺杆，且通过所述管卡和gfrp锚固螺杆将管道固定在混凝土管道支墩上，所述混凝土管道支墩与钻爆隧道底部岩石段连接，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，其中，每侧的gfrp锚固螺杆个数均为奇数，且gfrp锚固螺杆长度满足施工空间要求，不宜大于3m；

步骤4，确定单个gfrp锚固螺杆拉力nl、gfrp锚固螺杆的数量n和gfrp锚固螺杆公称外径d；

步骤4中的单个gfrp锚固螺杆拉力nl、gfrp锚固螺杆的数量n和gfrp锚固螺杆公称外径d根据下式确定：

gfrp锚固螺杆的数量n为：

即每排布置3根锚杆(奇数)

式中，fu为gfrp锚固螺杆的抗拉设计强度，fk为gfrp锚固螺杆的抗拉设计强度标准值，根据《土木工程用玻璃纤维增强筋》jg/t406-2013的规定，对16mm～25mm的筋材可取550mpa；γs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，根据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》gb50608-2010的规定取1.4；γe为gfrp材料的环境影响系数，根据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》gb50608-2010的规定取1.6；k1为gfrp锚固螺杆设计安全系数，取1.5；k2为gfrp锚固螺杆设计抗拔安全系数，取1.8；qsk为gfrp锚固螺杆与岩石间的粘接强度标准值，根据地质条件选取，本隧道岩体为中风化花岗岩，参考《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》gb50086-2015的有关规定，取0.6mpa；d为gfrp锚固螺杆的施工成孔直径(m)，取为0.042m；l4为gfrp锚固螺杆在岩石段内的长度，取为2m。

目前技术较成熟、工程应用相对普遍的锚固螺杆杆体直径为16mm、18mm、20mm、22mm、24mm等几种，这几种锚固螺杆施工成孔直径d都为42mm。根据锚杆总体长度不大于3.0m的施工空间要求，初步确定锚固螺杆锚固段长度即锚固螺杆在岩石段内的长度为2.0m。

步骤5，根据步骤4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锚固螺杆中心间距不小于2.5d，gfrp锚固螺杆中心距管卡的边缘不小于1.5d)，确定管卡的长度b，经计算需布置6个20mm的gfrp锚固螺杆，gfrp锚固螺杆中心间距为2.5x20mm＝50mm，gfrp锚固螺杆中心距管卡的边缘最小距离为1.5x20mm＝30mm，管卡最小长度b为：bmin＝2x30mm+2x(3-1)x50mm＝160mm。

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fu计算确定管卡厚度b；根据单个gfrp锚固螺杆拉力nl和gfrp锚固螺杆的抗剪设计强度fv计算确定管卡底板厚度a；

fu为gfrp锚固螺杆的抗拉设计强度，经计算为233.2mpa；fv为gfrp锚固螺杆的抗剪设计强度，参考筋材的抗剪强度取110mpa。

步骤6，完成水域钻爆隧道gfrp穿越管道的抗漂浮设计。

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。