土トンネル掘削によって引き起こされる連続および不連続のパイプライン変形を評価するための新しいアプローチ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12661 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

パイプラインとトンネルとの間隔が狭い場合、土トンネル掘削によって生じる上部パイプラインの変形は無視できません。 剛棒法に基づいて,単純支持梁を基本システムとしてパイプライン-土壌相互作用モデルを確立し,土壌によってパイプラインに作用する荷重は線形分布するとみなした。 連続および不連続のパイプライン変形の計算方法を確立しました。 提案手法により計算された結果は、遠心分離試験の実験データおよびフィールドデータとよく一致した。 体積損失(η = 1%、2%、3 %)、回転剛性(β0 = 4.47 × 106N・m/rad、4.47 × 108 N・m/rad、4.47 × 1010N・m/rad)の影響に関するパラメトリックスタディ）、たわみおよび継手回転角における土の沈下曲線の変曲点に対するパイプライン断面長の比（L/is = 0.5、1.0、1.5、2.0）および土の弾性係数（E = 10 MPa、30 MPa、50 MPa）不連続パイプラインの撤去が行われました。 結果は次のことを示しています。(1) パイプラインの最大たわみとジョイントの最大回転角は、η が増加すると増加し、β0 が増加すると減少します。 (2) 「奇数」の場合、パイプラインの最大たわみとジョイントの最大回転角は最初に増加し、L/is が増加するにつれて減少し、L/is = 1.5 でピークに達しますが、「偶数」の場合は、 、最大パイプラインたわみは、L/is が増加するにつれて減少し、ジョイントの最大回転角度は、最初に増加し、次に L/is が増加するにつれて減少します。 (3) 「奇数」の場合、E が増加するにつれてパイプラインの最大たわみとジョイントの最大回転角が減少しますが、「偶数」の場合は逆の傾向が観察されます。 さらに、パイプラインの最大たわみとジョイントの最大回転角度は、常に「奇数」の場合の方が「偶数」の場合よりも大きくなります。

都市地下鉄トンネルの掘削は周囲の土壌の変形を引き起こし、その結果、土壌層のパイプラインの損傷、漏水、境界面の剥離を引き起こし、深刻な場合には地層の空洞や地盤の崩壊を引き起こし、都市の安全と安定を脅かします。そして人々の生命と財産の安全。 たとえば、2007 年 2 月 5 日、中国江蘇省の南京地下鉄 2 号線の建設区間で埋設されたガスパイプラインが破裂、爆発し、その結果、5,000 人以上の住民が水、電気、ガスを喪失しました。周囲のガスパイプラインの事前調査が不足していたことと、標準的な掘削工事が行われていなかったため、近隣での事故が発生しました。 さらに、2014年12月24日、中国湖北省武漢市の中関駅で、シールドトンネルの掘削により、すでに老朽化した水道幹線の局部的な破裂が発生し、その結果、基礎ピットと右側の幹線トンネルで水が急増しました。 したがって、図1に示すように、土トンネルの掘削中の上部パイプラインの変形値の合理的な計算は、この種のエンジニアリングにおいて最も懸念される問題の1つとなっています。

既存のパイプラインのトンネル掘削の場合: (a) 連続パイプライン。 (b) 不連続なパイプライン。

トンネル掘削によって引き起こされる上部のパイプラインの変形を計算する場合、パイプラインの変形を予測する一般的な方法には理論分析が含まれます1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15。 、数値シミュレーション16、17、モデルテスト18、19。 他の 2 つの方法と比較して、理論的分析はそのシンプルさと利便性により実用化に大きな利点があるため、多くの学者が多くの研究を実施し、豊富な成果を上げています。 たとえば、1986 年に Attewell ら 1 は、トンネル地下道が既存の地下パイプラインに及ぼす影響を調査するために初めて Winkler 基礎モデルを使用しました。 Wang et al.2 は、パイプラインと土壌の相互作用の理論的および分析モデルを確立し、パイプラインの変形の解析解を得て、パイプラインと土壌の相互作用の法則を調査しました。 Klar et al.3 は、トンネル掘削によるパイプラインの変形に対する Winkler 弾性基礎梁の解析解を取得し、それを弾性連続体基礎解と比較して、Winkler 弾性基礎梁の基礎係数を補正しました。 Vorster et al.4 は連続弾性解を与え、遠心モデル試験でその実現可能性を検証しました。 Shi et al.5 は、エネルギー変分法を使用した 2 パラメーター Pasternak 基礎モデルに基づいた連続パイプライン変形の解決策を提供しました。 Yang et al.6 は、グリーンフィールドの変位とパイプラインの沈下が両方ともガウス分布に従うという仮定に基づいて、エネルギー変動法を使用してパイプラインの変形を解決しました。 Fu ら 7 は、パイプラインと土壌の分離現象を考慮し、2 パラメーターの Parsternak 基礎モデルを使用して、トンネル掘削によって引き起こされるパイプラインの変形に対する解決策を提供しました。 トンネル掘削が上層のパイプラインに及ぼす影響に関する上記の研究は、ほとんどの場合、パイプラインが均質かつ連続している（たとえば、溶接継手パイプライン）場合、パイプライン継手の許容回転を考慮できないという仮定に基づいて行われています。