高烈度地震区油气管道隧道抗震分析-.pdf

第 3 3卷 第 4期 OI L AND GAS TRAN SPOR TA TI ON AND S T OR AGE 高烈度地震区油气管道隧道抗震分析 付开伟 胡文君胡道华陈菡清严鹏谷勇 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司， 四川 成都6 1 0 0 4 1 油号储运 01 摘 要 中亚天然气管道 D线工程 简称 中亚 D线 隧道众多， 隧道全部处于9度及以上的高 烈度地震 区， 部分隧址 区地震加速度 峰值 达 0 ． 6 g ， 超 出 目前 国内所 有设计 规 范规定 的地震 加速度 峰值， 在设计过程中没有相应的规范及工程实例可参考， 为解决该问题， 开展了高烈度地震 区油气 管道隧道抗震分析， 以作为设计依据。为 了验证设计阶段拟选复合式衬砌支护参数的准确性， 通过 对 国内外隧道抗震计算方 法及 国内现行 隧道抗震 规范的研 究， 结合 中亚 D线实 际特 点 ， 提 出了适用 于油 气管道 隧道抗震分析 的简化方 法， 并 以Ⅵ级 围岩 为例 ， 采用 简化 方法对 中亚 D线隧道 工程进行 了抗震计算。计算结果显示， 拟选的复合式衬砌支护结构安全性系数满足相关隧道设计规范规定 的稳定性及构造要 求。综合分析表 明， 本 文选取 的抗震分析简 化方法操作 性强 ， 拟选 的Ⅵ级 围岩 复 合式衬砌支护参数合理 ， 可 为类似 油气管道 隧道 的抗震分析及规 范修订提供参考 。 关键词 中亚天然气管道 D线工程； 油气管道隧道； 高烈度； 简化方法； 抗震分析 DOI 1 0． 3 9 6 9／ ． i s s n． 1 0 0 65 5 3 9 ． 2 01 5 ． 0 4． 0 01 0 前 言 中亚天然气管道 D线工 程 简称 中亚 D线 是 我 国 引进 中亚天然气能 源的一条 大动脉 ， 也 是丝绸 之路 经济 带关键工程 ， 对满足国内快速增长的用气需求， 保 障我 国能源供应安全具有 重大 意义。管道途 经 土库曼斯 坦 、 乌兹别克斯坦 、 塔 吉克 斯坦 、 吉 尔吉 斯坦 止 于 中国新 疆 乌恰县 ， 全长 约 9 7 0 k m。本 工程 有 3个 隧 道群 ， 均位 于 塔吉克斯坦境内， 共设 4 3座隧道 ， 总长约 6 7 k m， 工程总 投资约 8亿美元。隧道处于高烈度地震区， 部分隧道处 于高海拔严寒地区， 存在滑坡、 崩塌 、 泥石流、 岩溶、 地质 构造破碎带等大量不 良地质 作用及 冻土 、 风化 岩及 残积 土的特殊性岩土 ， 诸多难点使 中亚 D线隧道 工程成 为 中 国天然气长输管道建设史上难度最大的隧道工程 ⋯。 1 场地地震效应 本工程位 于 印度板 块 与欧 亚板 块碰 撞 形成 的帕米 尔构造结附近， 为印度板块与欧亚板块碰撞 的缝合带， 地壳运动强烈 ， 第 四 系活 动断 裂广 泛发 育 ， 地震 活 动频 繁 。本工程在塔 吉克 斯坦 分为 A段 西段 与 B段 东 段 ， A段近 场 区 自 1 9 0 7年 以来 曾记 载到 ≥3 ． 0级 地 震 4 3 4次 ， 其 中 4 ． 0～ 4 ． 9级地 震 2 2 7次 、 5 ． 0～ 5 ． 9级 地 震 3 6次 、 6 ． 0～ 6 ． 9级地震 1 次 1 9 0 7年 1 0月 2 7日 6 ． 5 级地震 ； B段 近场 区 自 1 9 0 7年 以来 曾记 载 到 ≥3 ． 0 级地震 1 2 6 0次 ， 其中 4 ． 0～ 4 ． 9级地震 6 4 0次 、 5 ． 0～ 5 ． 9 级地震 8 6次 、 6 ． 0～ 6 ． 9级 地震 6次 、 7 ． 0～7 ． 9级地震 1 次 1 9 4 9年 7月 1 0 E t 7 ． 6级地震 。本工 程隧址 区均为 9度地震烈度带， 5 0年超越概率 1 O％ 的地震动峰值加速 度大于 0 ． 4 g ， 隧道工程 需要进 行抗震 设计。 5 0年超越概率 1 0％平均场地水平向地震动峰值加速 度 区划图 ， 见图 1 。根据 图 1 本工程 1 ～ 4 隧道地震 动峰 值加速度为 0 ． 4 g ， 7 一 1 3 、 1 5 、 2 3 ～ 4 6 隧道地震动峰值 加速度为 O ． 5 g ， 1 4 、 1 6 ～ 2 0 隧道 地震动峰值 加速度 为 收稿 日期 2 0 1 5 0 20 5 基金项目 中国石油天然气集团公司重大专项资助项目“ 恶劣环境下中亚天然气管道 D线的安全环保节能核心技术与工程 应用 ” 6 9 9 5一H TX E X一 0 42 0 1 3 0 1 2 5 作者简介 付开伟 1 9 7 3一 ， 男， [J l l 大邑人 ， 高级工程师 ， 学士， 主要从事石油天然气长输管道工程的设计及研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷 第 4期 ol L AND GAS TR ANSP ORT AT I ON AND ST ORA GE 计规范 涉及隧道抗震方面的内容很少， 或缺乏足够的 重视 ， 只有定性说 明， 缺乏明确 、 深入 的研究 。具体 的工 程 建设过程 中参照 的隧道抗 震规范 主要有 J T G B 0 2 2 0 1 3 公路工程抗震规范 [ 9 3 、 G B 5 0 1 5 72 0 1 3 地铁设计规 范 E l o ] 以及G B 5 0 1 1 1 2 0 0 6 铁路工程抗震设计规范 E 3 3 。 3 本参 照规范虽 然在隧道结构具体 的抗 震计算 方法 方面涉及较少 ， 但对 隧道的抗震 强度 和稳定性 验算 范 围 以及隧道结构的抗震构造措施做了较详细的定性规定， 均能满足实 际工程 的需要 ， 定性规定包括 1 对地震区隧道洞 口位置的规定 应结合洞 口段的 地形和地质条件确定 ， 并 采取控制 洞 口边 坡和仰 坡 的开 挖高度 以及其 他 防止 坍塌 震 害 的措施 。位 于悬崖 陡坡 下的洞 口， 宜采取接建明洞或其他防止落石的措施 。 2 对地震 区隧道 洞 门的规 定 隧道 必须 修建 洞 门 ， 根 据洞 口段 的实际 地质情 况 选择 桩柱 式 或者 拉锚 式 洞 门形式 ， 不 应采用端墙式结构。 3 对地震 区隧道抗 震设 防区段 的规 定 在 隧道 的洞 口、 浅埋 和偏 压地 段 以及 断层破碎 带地段应 进行抗 震设 防 ， 洞 口段 的设 防段 长度 可根 据地 形 、 地质 条件 及 设 防 烈 度 确 定 ， 并 不 宜 小 于 2 ． 5倍 的 结 构 跨 度 ， 且 不 小 于 1 2 m。隧道宜 避 开 近期 活动 的断 层 破 碎 带 ， 必 须通 过 时 ， 应进行充分 的技术论证 ， 并有切实 可靠 的工程措施 。 4 对地震 区隧道结构及抗震措施的规定 抗震设 防段 的隧道宜采用复合式衬砌结构， 并采用带仰拱的曲墙式断 面形式 ， 其隧道衬砌结构应加强。对通过活动断裂带的区 段应同时采取圆形断面 、 增大隧道断 面尺寸 、 预 留补强 空 间及加密设置全环变形缝等有利的抗震构造措施。 通 过对 已发地 震 震害 的调 查和 隧道结 构 的试算 ， 3 本参照规范 在条文 说 明 中对 隧 道 的抗震 强 度和 稳定 性 验算范围做了相应的定量规定， 定量规定包括 1 对隧道的抗震设 防区段及计算 方法 的规定 在 Ⅲ 级及 以上 围岩条件较 差 的洞 口、 浅埋 、 偏 压 隧道和 明洞 ， 以及穿越不 良地质地带 的区域 ， 地震烈度大于 7度时 ， 需 要进行抗震设计 。 2 对抗震计算荷载组合及安全系数的规定 验算隧 道 的结构抗震强度 和稳 定性 时 ， 地震荷 载只与 恒载 和活 载力组合 。规定 了隧道 衬砌 和 明洞结 构 强度 的安全 系 数 ， 且提出 了相应 的地基土容许承载力等相关数值 。 3 抗 震计算方 法 的规定 由于地 震 系数 法方 便 、 简 明 ， 操作性强 ， 基 本 能综合 反 映 隧道工 程 的地 震 响应 特 性 ， 规定隧道的抗震计算 方法 为地震 系数法 。但 同时指 出 ， 由于地震系 数法 沿用 了地 面结构 抗 震设 计 的理 念 ， 隧道埋深是否对地震惯 性力影 响较大 ， 对 于深埋 隧道及 地 震加速度较大工况下 ， 采用地震 系数法 的计算 结果 与 工 程实际具有一定 的误 差 。由于 隧道 的洞径不 一致 ， 致 油与储运0 3 使各类洞径的隧道对深埋隧道的划分不一致 ， 因此， 需 针对不 同的工程 、 不 同的地 质条件对 地震 系数法进 行合 理 的简化修正 ， 以提高其适应性 。 3隧道结构抗震计算 3 ． 1 隧道 结构抗震简化计算方 法 目前 ， 隧道结构 的简化抗震方 法主要有 Wa n g法 、 响 应位移法 、 S t ． J o h n 法 、 等代水平地震加 速度法 、 拟静 力法 等 。本文将采用现行主要规范推荐的地震系数法 进行抗震计算 ， 地震系数 法是一 种附加地 震力 的拟静 力 计算方法 ， 在地震引起 的荷载 中只考虑水 平地震 力 的作 用 ， 作用大小与水平地震系数有关 ， 水平地震系数通过水 平地震动峰值加速度表示 ， 地震引起 的水平地震力 ．厂 ． f 。 A 。 mi 1 式 中 为综合影 响 系数 ， 岩质 隧道取 0 ． 2 ， 土质 隧道取 0 ． 2 5 ； A 为地震 动峰 值加 速度 ， 0 ． 4 、 0 ． 5 、 0 ． 6 g； m； 为恒 载质点质量 ， k g 。 同时文献 强 调 由于采用地 震系数法计算 的隧道 抗震计算结果 与一 些宏观震 害调查 情况较 为接 近 ， 其抗 震加强措施 与非地 震 区隧道 衬砌 比较较 为合理 ， 其 计算 精度能满 足工程 要求 ； 同时地 震 系数 法计 算较 为 简便 ， 采用更精确 的计 算方 法 ， 其 实 际意 义 不大 ， 故本 文采 用 地震 系数法进行抗震计算 。 3 ． 2 横 向水 平地震加速 度分布简 图 根据 文献 ， 中亚 D线 需在 隧 道 洞 1 3 段 、 浅 埋 、 偏 压 、 岩 溶 、 软硬岩 接触 带 、 危 岩接 触带 、 松散 堆积 体及 断 层破碎带等地段衬砌 予 以抗震 设 防， 只考虑横 向水平 地 震力对结构 的影 响， 不 考虑沿 隧道纵 向水平地震 力及 竖 向地震力 的作用 ， 横 向水平地震加速度分布见 图 3 。 图 3隧道结构横 向水 平地震加速度分布 图 3 ． 3 抗震计算 中亚 D线隧道内敷设 1 根 中 1 2 1 9 1T ll n输气管道， 预留 1 根 中1 2 1 9 iT I 1 T I 输气管道通道， 考虑管道安装、 焊接、 排水、 维护、 施工等空间要求及施工机械、 运输、 通风等因素， 隧道 净空断面尺寸为 4 ． 5 m 4 ． 5 m 宽 高 ， 需抗震计算部分 隧道横断面采用曲墙形式 ， 隧道净横断面尺寸见图 4 。 _ 山Q 一 ＼ 日 器 鹫 旧 凶 舞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 0 8月 错 台等震 害 ， 抗震 设 防段每 隔 2 0 m、 洞 E I 段 每隔 6 m设 置一道 全环变形缝 。 5 结 论 1 油气管道 隧道 可采 用简 化 的地 震 系数 法进 行 隧 道结构 的抗震 分析 ， 该 方法 易被 工程 技术 人员 接受 ， 故 在具体工程抗震设计 中具有很强 的实用性 。 2 通过对中亚 D线隧道工程拟选复合式参数的抗 震分析 ， 在 9度 地震加 速度峰值为 0 ． 6 g 地震 作用下 ， Ⅵ级围岩塑性区主要分布在底板直角处 、 曲墙和拱顶部 位 ， 初期支护 中的锚杆 、 钢 拱架 、 喷射 混凝土 未发生 屈服 破坏 ， 隧道 最 大 变 形 量 为 4 8 ． 9 m m， 初 支 安 全 系 数 为 2 ． 0 2 ， 二衬最大裂缝 为 0 ． 1 8 m m， 二衬安 全系数 为 2 ． 6 7 ， 满足 G B 5 0 1 1 1 2 0 0 6 铁路工程抗震计规范 中的相关 要求 ， 拟选的 Ⅵ级 围岩 复合式 衬砌 参数 合 理 ， 但 二衬 与 初支之间的预 留变形量需大于 5 0 m m。 3 对衬 砌结 构各细部采取必 要 的抗震 构造措施 ， 使 衬砌结构具有更好 的变形 协调能力 。 4 本文 的研究 成果 填补 了石 油天然 气行 业 隧道 工 程高烈度地 区抗震 设计 的空缺 ， 可 以为类 似石 油天然气 管道隧道工程的抗震分析及规范修订提供参考。但隧 道抗震计算 受 隧道埋 深 、 结 构 构造 、 地质 条件 等 因素影 响， 建议通过现场 的监控量测数据不断修正计算参数 ， 在实践 中积 累资料 以趋完善 。 参 考文献 [ 1 ]胡文君， 陈菡清， 谷勇， 等． 中亚天然气管道 D线隧道及 伴行道路工程隧道总说明[ R] ． 成都 中国石油集团工程 设计有限责任公司西南分公司， 2 0 1 4 ． H u We n j u n ， C h e n H a n q i n g ， G u Y o n g ， e t a 1 ． C e n t r a l A s i a N a t u r a l G a s P i p e l i n e L i n e -- D T u n n e l a n d A l o n g - r o u t e R o a d E n g i n e e ri n g T u n n e l G e n e r a l S p e c i f i c a t i o n [ R] ． C h e n g d u C h i n a P e t r o l e u m En g i n e e r i n g So u t hwe s t Co mpa n y， 2 01 4． [ 2 ]冉洪流， 蒋伟， 张志中， 等． 中亚天然气管道 D线 境外 段 工程 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e A c a d e m i c L i f e o f O o m o r i B o y o s h i ， A F a m o u s J a p a n e s e E a r t h q u a k e S c i e n t i s t [ J ] ． R e c e n t D e v e l o p m e n t s i n Wo r l d S e i s m o l o g y ， 1 9 8 5 ， 1 0 2 7 2 8 ． [ 6 ] 耿萍． 铁路隧道抗震计算方法研究[ D] ． 成都 西南交通 大学， 2 0 1 2 ． G e n g P i n g ． Re s e a r c h o n t h e S e i s mi c C a l c u l a t i o n Me t h o d o f Ra i l w a y T u n n e l [ D ] ． C h e n g d u S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ． [ 7 ]G B 5 0 4 7 0 2 0 0 8 ， 油气输送管道线路工程抗震技术规范[ s ] ． GB 5 04 70 2 0 08， S e i s mi c Te c hn i c a l Cod e f o r Oi l a n d Ga s T r a n s m i s s i o n P i p e l i n e E n g i n e e r i n g [ S ] ． [ 8 ]G B 5 0 4 2 3 2 0 1 3 ， 油气输送管道穿越工程设计规范[ S ] ． GB 5 0 4 2 32 0 1 3， C o d e for De s i g n o f O i l a n d Ga s T r a n s p o r t a t i o n P i p e l i n e C r o s s i n g E n g i n e e r i n g [ S ] ． [ 9 ]J T G B 0 2 2 0 1 3 ， 公路工程抗震规范[ s ] ． J T G B 0 22 0 1 3， S p e c i f i c a t i o n o f S e i s mi c De 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i s o f t h e S u p p o r t i n g S t r u c t u r e o f C l a s s V I S u r r o u n d i n g R o c k s i n P i p e - l i n e T u n n e l E x p e ri m e n t a l Sec t i o n A C a s e S t u d y o f D o n g j i a n g U n d e r w a t e r T u n n e l o f t h e L i n e T w o o f th e We s t ． t o E a s t G a s P i p e l i n e[ J ] ． N a t u r al G a s I n d u s t r y ， 2 0 1 2 ， 3 2 1 8 5 8 9 ． [ 1 4 ]胡文君， 马红． 管道隧道开挖过程数值模拟分析[ J ] ． 天 然气与石 油， 2 0 1 0 ， 2 8 1 4 95 3 ． H u We n j u n ， Ma H o n g ． A n a l y s i s o n N u me r i c a l S i m u l a t i o n o f P i p e l i n e T u n n e l E x c a v a t i o n P r o c e s s 『 J ] ． N a t u r a l G a s a n d O i l ， 2 0 1 0， 2 8 1 4 9 5 3 ． [ 1 5 ]J T G D 7 0 2 0 0 4 ， 公路隧道设计规范[ S ] ． J T G D 7 0 2 0 0 4， C o d e f o r D e s i g n o f R o a d T u n n e l [ S ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m