文摘

有效和准确地预测双隧道的影响相邻埋管道,向上和向下的影响被认为是相对pipeline-soil交互。一系列数值参数的研究包括8640条件进行调查的反应管道双隧道。基于无量纲分析和归一化计算结果,提出了相对pipeline-soil等效刚度的概念。此外,相对pipeline-soil刚度和相对管道曲率的表达式和相对pipeline-soil刚度和相对管道建立了定居点,以及相关计算的情节。依靠预测结果的比较、离心机模型试验的结果,和现场测量结果,得到表达式的精度和可靠性预测相邻的弯曲应变和结算埋管道引起的双隧道被验证。基于计算方法,管道的最大弯曲应变和最大结算时可以精确计算管道参数、埋藏深度、土壤参数,由于隧道和地面沉降曲线参数。该表达式可以使用不仅预测管道的最大弯曲应变和最大沉降引起的单和双隧道还评估单和双隧道的影响现有的埋地管道的安全。本文的相关结论也可以提供一个理论依据埋管道毗邻地铁隧道的正常服务。

1。介绍

由于盾构施工引起的地层位移,附加应力和位移在相邻的现有埋管道不可避免的产生,进一步影响管道的正常使用,甚至会导致他们的失败或破裂1]。tunnel-pipeline-soil交互的问题收到越来越多的关注,被广泛探讨了岩土学者在许多系统的和有意义的研究2,3]。

连续介质弹性理论后,一个新的地基模型建立了Klar et al。4)是用于分析的问题tunnel-pipeline-soil交互和与使用的理论Attewell et al。5]。Yu et al。6)进一步探讨这个问题,建立了地基模型更适合这个问题的分析,并比较其结果与结果Klar et al。4利用连续介质弹性理论。最近,眷顾和马歇尔(7)采用连续介质弹性理论来证明从地面沉降体积损失推导出绿地条件下等于,推导出管道变形的管道,并提出一个简单的表达式,预测管道的弯曲力矩。多个tunnel-pipeline-soil交互条件下模拟了王et al。8和史和陈9),一个表达式计算管道的最大弯曲应变引起的隧道了。考虑土壤高非线性的影响,linear-equivalent沃斯等人提出的方法。10]。法律的相对pipeline-soil与土壤刚度变化的非线性应变建立了基于管道周围土壤刚度和应变的关系。然而,他们的研究结果过于保守。基于等效马歇尔提出的土壤剪切应变等。11),Klar et al。12)解决了这个困难的问题提供的确定相对pipeline-soil位移和最大弯矩的计算方法通过考虑土非线性引起的管道隧道。基于帕斯捷尔纳克模型和统一的地面运动模型,预测一个能源解决方案埋管道隧道引起的反应提出了史等。13]。多种研究方法应用的Zhang et al。14),调查现有管道之间的相互作用机理和粘土quasirectangular隧道。提出了一种改进的温克勒弹性模量由黄等。15]分析隧道连接管道的反应。Saiyar et al。16)调查了不同刚度的地层位移对管道的影响。在调查期间,指出pipeline-soil交互的分析应该给予合理考虑土非线性,以这种方式获得的结果会比结果更务实的通过修改地面沉降模式。

在上面的例子中,学者只关注单一隧道的影响在现有埋管道,但很少考虑双隧道的情况下。眷顾和马歇尔(7和魏et al。17]提到,叠加原理可以用来分析双隧道的影响在现有邻埋管道。然而,马的分析等。18,19)透露,由于其不能合理考虑后续隧道的影响相对pipeline-soil刚度、叠加原理将产生显著的预测和试验结果之间的差异。研究pipeline-soil交互,一系列的数值参数分析采用沃斯等人提出的曲线方程。10)来描述隧道引起的地面沉降。在此基础上,计算公式和设计图表可以用来预测管道的最大弯曲应变和最大沉降提出了单、双隧道引起的。获得的结果,该方法比其他方法更准确,可以用于研究多隧道开挖对邻近埋管道。

2。造成的地面沉降分布曲线双隧道

沃斯等。10)建议采用以下修改后的高斯分布曲线来描述地面沉降引起的隧道: 在哪里是土壤的垂直位移(绿地条件);年代_马克斯最大垂直表面沉降值;我是地表任意点的距离解决拐点;和n和α形状参数的土壤沉降(方程1当降解成高斯分布曲线α= 0.5(即n= 1)。

马歇尔et al。20.)四个经验方程用于地面沉降以适应地面沉降测量,通过离心模型试验,发现修改后的高斯分布曲线可以更好地适应数据比其他三个经验曲线。眷顾和马歇尔(7)发现,修改后的高斯分布曲线可以很好地适应一系列叠加高斯分布曲线方程3,图1)。从图可以看出1修改后的高斯分布曲线可以用来配合双隧道引起地表沉降曲线。分析的基础上测量现场数据,Suwansawat和爱因斯坦(21)指出,双隧道引起的地表沉降曲线可以通过与两组高斯分布的叠加拟合曲线。因此,修改后的高斯分布曲线可用于满意地描述双隧道引起的地面沉降。

3所示。Pipeline-Soil交互机制

相对pipeline-soil位移的根源不同pipeline-soil互动机制在不同纵向区域的管道。借助离心机测试,沃斯(22)和马歇尔(23]声称pipeline-soil互动机制引起的隧道主要涉及以下五个区:(1)区管道的影响,(2)pipeline-soil分离区,(3)向下压缩区,(4)下拉区域,(5)拉伸区域。在实际工程中,双曲线模型如图2(虚线)通常被用来描述垂直pipeline-soil交互。双曲模型如图3(虚线)描述了轴向pipeline-soil交互。为了便于使用,简化为弹性模型和理想弹塑性模型(数据的实线2和3)。

在图2,问_u和问_d表示土壤的最大抵抗力量向上和向下pipeline-soil相对位移时,分别。他们的大小密切相关的大小相对pipeline-soil位移和表达如下: 在哪里表示无量纲系数和土壤阻力N_问和N_γ表示基本的条形地基承载力的因素。 ,N_问,N_γ可以通过以下公式计算: 在哪里γ表示土壤的体积单位重量;H表示距离地面管道中心;D表示管道直径;和φ表示土壤的峰值内摩擦角。

在图2,δ_俄文和δ_{理查德·道金斯}表示相对pipeline-soil位移阈值。也就是说,当上下相对pipeline-soil位移超过δ_俄文和δ_{理查德·道金斯}土壤将会达到的,抵抗部队问_u和问_d,分别。当土壤压实密度是松散的沙子,δ_俄文和δ_{理查德·道金斯}从0.005到0.015不等H和0.1 - 0.15D分别为(24]。在图3,问_一个表示土壤的最大阻力,当轴向相对pipeline-soil位移δ_{类风湿性关节炎}。当管埋在沙子,δ_{类风湿性关节炎}范围从2.5到5.0毫米24]。的价值问_一个可以通过使用以下公式计算: 在哪里K₀表示静止土压力系数和δ表示的内摩擦角pipeline-soil接触表面。

4所示。计算方法和验证

4.1。计算方法

图4显示原理图的垂直轴向(a)和(b) pipeline-soil交互。互动关系都是嵌入在管道土壤相互作用(PSI)单元的有限元分析软件。在计算过程中,垂直pipeline-soil交互和轴向pipeline-soil交互采用根据目前相对pipeline-soil位移。内力和变形产生的外部载荷的管道被描述使用梁元素。DISP子程序编程根据方程(1)。在计算,施工引起的地面沉降是应用于地面作为分布式附加位移,如图4(一)。

4.2。计算方法的验证

全面开展了现场试验高木涉et al。25)探讨影响钢铁管道由于单一隧道直径4.84米。在测试中,隧道埋深8.35米,长度,直径,和管道的壁厚是13.5米,0.165米,分别和5毫米。管道是210 GPa的弹性模量,泊松比为0.3。从地面到顶部的管道是1.5米;也就是说,H= 1.58 m。管道是垂直于隧道,隧道的距离轴的两端管道分别为7.3米和6.2米,分别。问_u和问_d45.4 kN / m和364.6 kN / m,分别。δ_俄文和δ_{理查德·道金斯}分别为0.0158米和0.0165米。方程(1)是用来适应野外实测地面沉降(图5),拟合曲线匹配与测量数据(年代_马克斯= 0.04785米,我= 1.6896米,α= 0.08818)。因为管道刚度大于土壤刚度,计算最大管道沉降比地面沉降(图略小5)。因此,在这个操作条件下相对pipeline-soil刚度低。最大管道协议,此外,现场管道显示一个向上相对位移相对于土壤。管道弯曲应变引起的隧道也是衡量高木涉et al。25]。考虑到距离隧道轴两端的管道是不平等的,测量和计算管道弯曲菌株不对称(图6)。

5。参数化分析

采用上面的方法时,由于隧道合理的管道沉降和弯曲应变只能用以下参数:隧穿引起的地面沉降曲线参数(年代_马克斯,我,α),管道尺寸参数(直径D和壁厚T),管道材料参数(E和ν),覆盖深度的管道(C),和土壤参数(γ,φ)。上述参数的共同价值范围在实际工程选择在这一节中8640个人计算以确定隧道的影响在现有埋管道在不同操作条件组合。

参数的值范围的地面沉降曲线(年代_马克斯,我,α)中使用这个计算是0.025 - -0.075米,6米,-1.8和0.1,分别覆盖所有操作条件引起的地面沉降单隧道和邻近的双胞胎在当前城市地铁隧道工程。三个材料,即。,我ron, cast iron, and PVC, were used in the pipelines, with elastic moduli of 210, 84, and 3.3 GPa, respectively. Table1列表中使用的管道尺寸参数的计算,基本覆盖所有管道尺寸广泛用于市政工程。三个厚度值(C)介绍了管道覆盖深度,即。,1.2,2.4,和4.0米。表2列表中选择三个不同密实度的土壤参数的计算。

6。无量纲分析管道由于隧道的反应

考虑当前相对pipeline-soil刚度的重要意义准确地评估管道的内力和变形(23]。本研究旨在对埋地管道预测双隧道的影响更准确。基于相对pipeline-soil王等人提出的刚度。8),的影响α和n在方程(1)相对pipeline-soil刚度考虑,提出一个新的相对pipeline-soil刚度。新的相对pipeline-soil刚度可以表示如下:

方程(7)可以用来计算在所有条件下相对pipeline-soil刚度。相比之下,相对pipe-soil王等人提出的刚度表达式。8],它只能用来计算相对pipeline-soil刚度在单一隧道开挖条件下,方程(7)可以用来计算pipeline-soil多个隧道开挖条件下相对刚度。在哪里K_u和K_d分别表示土壤向上和向下的等效模相对pipeline-soil位移,可以计算从以下方程:

的表达相对pipeline-soil曲率的定义是κ_p马克斯/ ,在哪里κ_p马克斯表示最大的管道曲率,如下: 在哪里米_马克斯表示管道和的最大弯矩E_p我_p表示管道弯曲刚度。通过方程的二阶导数(1),可以获得以下方程:

当x= 0, ,在这种情况下κ_p马克斯/可以表示如下:

图7提供了分布统计信息的最大相对pipeline-soil位移的比值δ_俄文共有8640个参数组合。在40%的计算条件下,土壤反应进入塑性阶段(图7)。因此,计算条件令人满意地覆盖两个纯弹性情况下和不同数量的情况下塑料pipeline-soil相对位移。

图8显示相对pipeline-soil刚度之间的关系和相对pipeline-soil曲率。当相对pipeline-soil刚度小于10⁻⁴管道的力学行为类似于flexible-jointed管道。换句话说,管道变形非常接近土壤变形。随着相对pipeline-soil刚度增加,管道的力学行为是僵硬了。提出相对pipeline-soil刚度和相对曲率的表达式是合理的,可以令人满意地用于计算结果(图正常化8)。在所有计算结果进行拟合分析,和图中的红色实线的方程8获得与R²值为0.986,表示如下: 在哪里x表示相对pipeline-soil刚度;y=κ_p马克斯/ 。图8还显示拟合曲线的±90%的置信区间,如下:上限(绿色实线): 下限(蓝色实线):

图9显示之间的关系相对pipeline-soil刚度和最大管道沉降的比例最大地表沉降。当相对pipeline-soil刚度小于10⁻²,最大的管道沉降几乎等于最大地表沉降。随着相对pipeline-soil刚度、最大管道沉降逐渐低于最大地表沉降。这种变化规律类似于相对pipeline-soil曲率变化的趋势与相对pipeline-soil刚度。同样,采用回归分析方法,以适应所有的计算结果,图中的红色实线9获得与R²值为0.981,表示如下: 在哪里x表示相对pipeline-soil刚度;y=年代_p马克斯/ 。图9还显示拟合曲线的±90%的置信区间,如下表示:上限(绿色实线): 下限(蓝色实线):

7所示。验证的例子

调查的影响双隧道相邻的现有埋管道不同布局下,马et al。18,19进行了四组离心模型试验。在测试1和测试2,两隧道埋深相同,分别和cover-to-diameter比率4和2。的反应管道由于双胞胎捎带隧道和堆叠隧道进行了在测试3和4中,分别。土壤的四组测试统一采用Toyoura沙子,内摩擦角为30°在临界状态时,在这种情况下K₀是0.5。表3显示了砂后参数模型制备的四组测试。在所有的测试中,从管道轴到地面的距离为5.7525米,和管道周围土壤的平均有效应力位于轴59.4 kPa(测试,测试3,测试4)和59.1 kPa(测试2)。博尔顿(26提出一个经验公式计算土的峰值内摩擦角: 在哪里p′表示平均有效压力和D_r表示土壤的相对密度。结合中提供的参数表3土壤,峰值内摩擦角可以计算为40.48°(测试,测试3,测试4)和40.06°(测试2)根据上述方程,分别。表4提供其他计算参数的四个离心机模型试验。

马歇尔(23)使用离心机模型试验探索隧道内力和变形的影响,管道的刚度和不同体积的损失。表5提供了pipeline-related参数用于测试。这些测试在75 g的离心加速度。雷顿的秃鹰分数E使用硅砂的内摩擦角在临界状态是32°。模型制备后,土壤的体积单位重量是15.65 kN / m³,相对密度为91%。土壤的峰值内摩擦角位于管道周围计算为45.12°根据方程(18)和(19)。表6提供了三个离心机模型试验的参数与地面亏损率为0.5,1.0,2.0和4.0%,分别。

图10显示计算结果之间的比较,测量结果,离心机模型试验的结果。逐渐增加的体积损失,相对pipeline-soil刚度逐渐增加。换句话说,土壤的剪切应变分布在管道增加而增加体积损失率。因此,土壤刚度逐渐减少。在这种情况下,通过假设管道弯曲刚度是常数,相对pipeline-soil刚度将逐渐增加。逐渐增加的相对pipeline-soil刚度、相对pipeline-soil曲率和相对pipeline-soil结算将逐渐减少。换句话说,管道的力学行为将经历一个渐进转换从弹性到僵硬的状态。因此,在分析隧道对管道的影响,我们不能简单地应用格林菲尔德的地层位移的管道。相反,应该考虑合理的影响相对pipeline-soil刚度计算结果。的预测范围提出的计算公式,用于预测的影响隧道管道弯曲应变和管线沉降,可以现场测量结果和离心模型试验结果相匹配。

8。评价隧道对邻近埋管道的影响

在市政管道的设计,允许弯曲应变ε_pallowable通常被用来控制管道的服务状态。通过假设ε_pallowable等于800με和400年με,可以写成

代入到方程(12),是获得

方程(21)可以写成

同样,方程(13)和(14)可以写成

图(11日)显示之间的关系相对pipeline-soil刚度和管道的最大允许压力。当相对pipeline-soil刚度低,管道变形几乎与地面变形导爆。随着相对pipeline-soil刚度增加,管道的经验从flexible-jointed管道逐渐过渡到stiff-jointed管道,导致逐渐增加(年代_马克斯/我²)·(D/ 2)·(2α/n),这表明,相对于flexible-jointed管道,stiff-jointed管道能承受更大的地面沉降。当ε_pallowable= 800με(图(11日)),只有一个测试结果和现场测量结果位于安全地带。当ε_pallowable= 400με(图11 (b)),三组数据的测试结果和现场测量结果都位于安全地带。根据12组测试结果通过马歇尔(23),增加地面损失率,管道隧道影响的服务状态逐渐变得不安全。与其他条件相同,比flexible-jointed管道stiff-jointed管道是安全的。图11可以直接用来评估单、双隧道的影响在现有埋管道的安全提供以下参数:基本管道参数(D和T)、管道材料和埋深(E和H),基本的土壤参数(γ和φ),地面沉降曲线参数由于隧道(年代_马克斯,我,α)。

9。结论

(1)在分析现有埋管道隧道的影响,它是不受欢迎的简单应用格林菲尔德地层位移。相反,应该考虑到相对pipeline-soil刚度对计算结果的影响。(2)相对pipeline-soil刚度的表达式提出了相关的相对pipeline-soil曲率和相对pipeline-soil结算。当相对pipeline-soil刚度小于10⁻⁴管道的力学行为类似于flexible-jointed管道。随着相对pipeline-soil刚度增加,管道的力学行为逐渐加强。当相对pipeline-soil刚度大于10,相对管道曲率(κ_p马克斯/ )和相对管道沉降(年代_p马克斯/ )逐渐接近为0,这意味着管道位移是一个较小的程度上受到地层位移的影响。(3)基于本文提出的计算方法的最大弯曲应变和最大沉降时可以精确计算管道的基本管道参数、管道材料和埋藏深度、土壤基本参数和地面沉降曲线参数由于隧道。(4)拟议的相对pipeline-soil刚度方程和相对管道曲率和相对pipeline-soil刚度和相对管道沉降不仅可以用来预测管道的最大弯曲应变和最大沉降引起的单、双隧道,而且评估的影响单和双隧道现有埋管道的安全。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国博士后科学基金会的资金支持(没有。2019 m663874xb),专项基金科学技术基地和广西有才华的年轻人(没有。GuiKe AD20238069),广西自然科学基金重点项目(没有。2020 gxnsfda238024)。