Новый подход к оценке непрерывной и прерывистой деформации трубопровода, вызванной рытьем грунтовых тоннелей

Том 13 научных докладов, номер статьи: 12661 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Деформацию вышележащего трубопровода, вызванную проходкой грунтового тоннеля, нельзя игнорировать в случае небольшого расстояния между трубопроводом и тоннелем. На основе метода жесткого стержня создана модель взаимодействия трубопровода с грунтом, в которой в качестве базовой системы использована свободно опертая балка, а нагрузки, действующие на трубопровод со стороны грунта, считаются линейно распределенными. Установлены методы расчета сплошных и прерывистых деформаций трубопроводов. Результаты, рассчитанные по предложенному методу, хорошо согласуются с экспериментальными данными центрифужных испытаний и натурными данными. Параметрическое исследование влияния потери объема (η = 1%, 2%,3 %), вращательной жесткости (β0 = 4,47 × 106 Н⋅м/рад, 4,47 × 108 Н⋅м/рад, 4,47 × 1010 Н⋅м/рад ), отношение длины участка трубопровода к точке перегиба кривой осадки грунта (L/is = 0,5, 1,0, 1,5, 2,0) и модуля упругости грунта (E = 10 МПа, 30 МПа, 50 МПа) от угла прогиба и поворота соединения. прерывистого трубопровода. Результаты показывают, что: (1) максимальный прогиб трубопровода и максимальный угол поворота соединения увеличиваются с увеличением η и уменьшаются с увеличением β0; (2) в «нечетном» случае максимальный прогиб трубопровода и максимальный угол поворота соединения сначала увеличиваются, а затем уменьшаются с увеличением L/is, достигая максимума при L/is = 1,5, а в «четном» случае , максимальный прогиб трубопровода уменьшается с увеличением L/is, а максимальный угол поворота соединения сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением L/is; (3) в «нечетном» случае максимальный прогиб трубопровода и максимальный угол поворота соединения уменьшаются с увеличением Е, а в «четном» случае наблюдается обратная тенденция. При этом максимальный прогиб трубопровода и максимальный угол поворота стыка в «нечетном» случае всегда больше, чем в «четном».

Прокладка тоннелей городского метрополитена вызывает деформацию окружающей почвы, что, в свою очередь, приводит к повреждению, утечкам и отслоению трубопроводов в слое почвы, а в серьезных случаях даже вызывает полость пласта или обрушение грунта, угрожая безопасности и стабильности города. и безопасность жизни и имущества людей. Например, 5 февраля 2007 г. на строительном участке второй линии метро Нанкина в провинции Цзянсу, Китай, произошел разрыв и взрыв подземного газопровода, что привело к потере воды, электричества и газа более чем 5000 жителей. поблизости из-за отсутствия предварительного обследования окружающего газопровода и отсутствия стандартных земляных работ. Кроме того, 24 декабря 2014 г. на станции Цзунгуань в Ухане, провинция Хубэй, Китай, раскопки щитового тоннеля вызвали локальный прорыв уже устаревшей водопроводной магистрали, что привело к скачкам воды в котловане и правом тоннеле. Таким образом, обоснованный расчет величины деформации вышележащего трубопровода при проходке грунтового тоннеля стал одним из наиболее актуальных вопросов в этом виде проектирования, как показано на рис. 1.

Вариант прокладки туннелей на существующих трубопроводах: (a) непрерывный трубопровод; (б) прерывистый трубопровод.

Для расчета деформации вышележащего трубопровода, вызванной проходкой тоннелей, распространенные методы прогнозирования деформации трубопровода включают теоретический анализ1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 , численное моделирование16,17 и модельное испытание18,19. По сравнению с двумя другими методами теоретический анализ имеет значительные преимущества в практическом применении в силу своей простоты и удобства, поэтому многие ученые провели по нему множество исследований и добились богатых результатов. Например, в 1986 году Аттевелл и др.1 впервые использовали модель фундамента Винклера для изучения влияния подземных туннелей на существующие подземные трубопроводы. Ван и др.2 создали теоретическую и аналитическую модель взаимодействия трубопровода с грунтом, получили аналитическое решение деформации трубопровода и исследовали закон взаимодействия трубопровода с грунтом. Клар и др.3 получили аналитическое решение для упругой фундаментной балки Винклера для деформации трубопровода из-за проходки туннелей и сравнили его с решением для упругого сплошного фундамента, исправив коэффициенты фундамента для упругой фундаментной балки Винклера. Форстер и др.4 предложили решение для непрерывной упругости и подтвердили его осуществимость с помощью центробежных модельных испытаний. Ши и др.5 предложили решение для непрерывной деформации трубопровода на основе двухпараметрической модели фундамента Пастернака с использованием энергетического вариационного метода. Ян и др.6 решили проблему деформации трубопровода, используя метод изменения энергии, исходя из предположения, что как смещения на новом месте, так и осадки трубопровода соответствуют распределению Гаусса. Фу и др.7 рассмотрели явление разделения трубопровода и грунта и использовали двухпараметрическую модель фундамента Парстернака, чтобы найти решение проблемы деформации трубопровода, вызванной проходкой туннелей. Вышеуказанные исследования влияния проходки туннелей на вышележащий трубопровод в основном проводились в предположении, что трубопровод является однородным и непрерывным, например сварные соединения трубопроводов не могут учитывать допустимое вращение стыков трубопровода.