Ein neuer Ansatz zur Bewertung kontinuierlicher und diskontinuierlicher Rohrleitungsverformungen, die durch Bodentunnelaushub verursacht werden

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12661 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei geringem Abstand zwischen Rohrleitung und Tunnel ist die Verformung der darüber liegenden Rohrleitung durch den Erdtunnelaushub nicht zu vernachlässigen. Basierend auf der Starrstabmethode wurde das Pipeline-Boden-Wechselwirkungsmodell erstellt, wobei der einfach unterstützte Balken das Grundsystem darstellt und die durch den Boden auf die Pipeline einwirkenden Lasten als linear verteilt betrachtet werden. Es wurden Berechnungsmethoden für kontinuierliche und diskontinuierliche Rohrleitungsverformungen etabliert. Die mit der vorgeschlagenen Methode berechneten Ergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Daten von Zentrifugentests und Felddaten überein. Parametrische Studie zur Auswirkung des Volumenverlusts (η = 1 %, 2 %, 3 %), der Rotationssteifigkeit (β0 = 4,47 × 106 N⋅m/rad, 4,47 × 108 N⋅m/rad, 4,47 × 1010 N⋅m/rad ), Verhältnis der Länge des Rohrleitungsabschnitts zum Wendepunkt der Bodensetzungskurve (L/is = 0,5, 1,0, 1,5, 2,0) und Bodenelastizitätsmodul (E = 10 MPa, 30 MPa, 50 MPa) auf die Ablenkung und den Gelenkdrehwinkel der diskontinuierlichen Pipeline durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass: (1) die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindung mit zunehmendem η zunehmen und mit zunehmendem β0 abnehmen; (2) Im Fall „ungerade“ nehmen die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks zunächst zu und dann ab, wenn L/is zunimmt, und erreichen im Fall „gerade“ einen Spitzenwert bei L/is = 1,5 , die maximale Durchbiegung der Rohrleitung nimmt ab, wenn L/is zunimmt, und der maximale Drehwinkel des Gelenks nimmt zunächst zu und dann ab, wenn L/is zunimmt; (3) Im Fall „ungerade“ nehmen die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks mit zunehmendem E ab, während im Fall „gerade“ der gegenteilige Trend zu beobachten ist. Darüber hinaus sind die maximale Rohrleitungsauslenkung und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungerade“ Fall immer größer als im „geraden“ Fall.

Der Aushub städtischer U-Bahn-Tunnel führt zu einer Verformung des umgebenden Bodens, was wiederum zu Schäden, Leckagen und Ablösungen von Rohrleitungen in der Bodenschicht führt und in schweren Fällen sogar zu Gesteinshöhlen oder Bodeneinstürzen führt, was die Sicherheit und Stabilität der Stadt gefährdet und die Sicherheit von Leben und Eigentum der Menschen. Beispielsweise führte am 5. Februar 2007 ein Bauabschnitt der Linie 2 der U-Bahn Nanjing in der Provinz Jiangsu, China, zum Bruch und zur Explosion einer vergrabenen Gasleitung, was zum Verlust von Wasser, Strom und Gas für mehr als 5.000 Einwohner führte in der Nähe aufgrund fehlender vorheriger Untersuchungen der umliegenden Gasleitung und fehlender Standardaushubarbeiten. Darüber hinaus verursachte der Aushub des Schildtunnels am 24. Dezember 2014 am Bahnhof Zongguan in Wuhan, Provinz Hubei, China, einen lokalen Bruch einer bereits in die Jahre gekommenen Hauptwasserleitung, was zu Wasserstößen in der Baugrube und im Tunnel der rechten Leitung führte. Daher ist die vernünftige Berechnung des Verformungswerts der darüber liegenden Rohrleitung während des Aushubs des Erdtunnels zu einem der am meisten besorgniserregenden Probleme bei dieser Art von Ingenieurbau geworden, wie in Abb. 1 dargestellt.

Argumente für einen Tunnelaushub an bestehenden Rohrleitungen: (a) durchgehende Rohrleitung; (b) diskontinuierliche Pipeline.

Für die Berechnung der durch Tunnelaushub verursachten darüber liegenden Rohrleitungsverformung gehören zu den gängigen Methoden zur Vorhersage der Rohrleitungsverformung theoretische Analysen1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 , numerische Simulation16,17 und Modelltest18,19. Im Vergleich zu den beiden anderen Methoden hat die theoretische Analyse aufgrund ihrer Einfachheit und Bequemlichkeit erhebliche Vorteile in der praktischen Anwendung, weshalb viele Wissenschaftler umfangreiche Forschungen dazu durchgeführt und reichhaltige Ergebnisse erzielt haben. Beispielsweise verwendeten Attewell et al.1 1986 erstmals das Winkler-Fundamentmodell, um die Auswirkungen von Tunnelunterführungen auf bestehende unterirdische Pipelines zu untersuchen. Wang et al.2 erstellten ein theoretisches und analytisches Modell der Pipeline-Boden-Interaktion, erhielten die analytische Lösung der Pipeline-Verformung und untersuchten das Gesetz der Pipeline-Boden-Interaktion. Klar et al.3 erhielten eine analytische Lösung für den elastischen Winkler-Fundamentbalken für Rohrleitungsverformungen aufgrund von Tunnelaushub und verglichen sie mit der elastischen Kontinuumsfundamentlösung, wobei sie die Fundamentkoeffizienten für den Winkler-elastischen Fundamentbalken korrigierten. Vorster et al.4 lieferten eine kontinuierliche elastische Lösung und überprüften deren Machbarkeit mit Zentrifugalmodelltests. Shi et al.5 lieferten eine Lösung für die kontinuierliche Verformung von Rohrleitungen auf der Grundlage eines Zwei-Parameter-Pasternak-Fundamentmodells unter Verwendung der Energievariationsmethode. Yang et al.6 lösten die Pipeline-Verformung mithilfe der Energievariationsmethode unter der Annahme, dass sowohl Greenfield-Verschiebungen als auch Pipeline-Setzungen einer Gaußschen Verteilung entsprechen. Fu et al.7 untersuchten das Phänomen der Trennung von Pipeline und Boden und verwendeten ein Parsternak-Fundamentmodell mit zwei Parametern, um eine Lösung für die durch Tunnelaushub verursachte Pipelineverformung zu finden. Die oben genannten Studien zu den Auswirkungen des Tunnelaushubs auf die darüber liegende Rohrleitung wurden größtenteils unter der Annahme durchgeführt, dass die Rohrleitung homogen und durchgehend ist, z. B. bei Rohrleitungen mit Schweißverbindungen, die zulässige Drehung der Rohrleitungsverbindungen nicht berücksichtigt werden kann.

Allerdings wird die Annahme der Kontinuität der Rohrleitung nun in Frage gestellt und ein entsprechender Ansatz vorgeschlagen, um den Effekt der Drehung der Rohrleitungsverbindungen zu berücksichtigen. So haben Klar et al.9 die Rohrleitungsverbindungen als Verbindungselemente abstrahiert, die sowohl Biegemomenten als auch Scherkräften standhalten können, während die Rohrleitungsabschnitte zwischen benachbarten Verbindungen als Balkenelemente abstrahiert wurden, aus denen die Steifigkeitsmatrizen der beiden Elemente abgeleitet werden Die Grenzintegralmethode wird verwendet, um die Verformung der bestehenden Rohrleitung unter dem Einfluss des Tunnelaushubs zu lösen. Zhang et al.10 führten „virtuelle Knoten“ an Pipeline-Verbindungen auf der Grundlage des Winkler-Fundamentmodells ein und nutzten die Finite-Differenzen-Methode, um die Verformung von Pipelines mit Verbindungen unter dem Einfluss des Tunnelaushubs zu ermitteln. Dong et al.12 vereinfachten die diskontinuierliche Rohrleitung mithilfe der Impulsfunktion im mathematischen Modell zu einer kontinuierlichen Rohrleitung mit lokalen Zusatzlasten und verwendeten die Finite-Differenzen-Methode zur Lösung der Rohrleitungsverformung. Obwohl die oben genannten Methoden die Rotation der Gelenke berücksichtigen können, ist der Lösungsprozess komplex und in praktischen technischen Anwendungen schwer zu fördern.

Die bisherigen Forschungsarbeiten zeigen, dass diskontinuierliche Pipelines nicht ausreichend untersucht wurden, um einen einfacheren und allgemeineren Ansatz zu erhalten. Zu diesem Zweck wird eine neue Methode vorgeschlagen, die auf der Starrstabmethode basiert und die Rohrleitung in eine Reihe einfach gestützter Träger unterteilt, mit deren Hilfe die durch den Tunnelaushub verursachte Verformung von durchgehenden Rohrleitungen (Verbindungssteifigkeit in der Rohrleitung mit denselben) vorhergesagt werden kann Steifigkeit wie die Rohrleitung, mit kontinuierlichen Drehwinkeln auf beiden Seiten der Verbindung, z. B. geflanschte geschweißte Rohrleitungen) und diskontinuierliche Rohrleitungen (geschwächte Verbindungssteifigkeit, mit diskontinuierlichen Drehwinkeln auf beiden Seiten der Verbindung, z. B. gemuffte Zementrohrleitungen). Der Vergleich mit Zentrifugenversuchen und Felddaten bestätigt die Richtigkeit der in dieser Arbeit verwendeten Methode, die für die praktische Technik eine gewisse richtungsweisende Bedeutung hat.

Die Methode mit starren Balken wurde von Zemochkin vorgeschlagen und wird hauptsächlich zur Lösung von Problemen mit elastischen Fundamentbalken verwendet20,21. Die Methode ersetzt die Kontinuitätsverbindung zwischen Träger und Fundamentboden durch eine endliche Anzahl starrer Stäbe und ist nach wie vor eine der am häufigsten verwendeten Methoden für den Ingenieurentwurf, da sie auf verschiedene Fundamentbedingungen und komplexe Belastungen von Trägern mit variablem Querschnitt anwendbar ist. In dieser Arbeit wird die Starrstabmethode als Grundlage für die Lösung der durch Erdtunnelaushub verursachten Durchbiegung darüber liegender kontinuierlicher und diskontinuierlicher Rohrleitungen verwendet.

Aufgrund der Komplexität der Tunnel-Pipeline-Boden-Wechselwirkung im Prozess des Tunnelaushubs ist es schwierig, eine direkte Modellierung für die Analyse zu verwenden, und die meisten von ihnen verwenden die zweistufige Methode zur ungefähren theoretischen Analyse. Der erste Schritt besteht darin, die vertikale Verschiebung des Bodens zu berechnen, die durch den Tunnelaushub an der Pipeline-Achse verursacht wird (ohne Berücksichtigung des Einflusses der Pipeline), wie in Abb. 2 dargestellt. Auf dieser Grundlage wird das Pipeline-Boden-Wechselwirkungsmodell erstellt, die Bodenverformung Die Ergebnisse werden als zusätzliche Belastungen betrachtet, die auf die Pipeline wirken, und das Winkler-Fundamentmodell wurde verwendet, um diese Art von Problem zu analysieren, wie in Abb. 3 dargestellt. In der zweiten Stufe wird die Pipeline als Fundamentbalken und als starr betrachtet Zur Unterteilung der Rohrleitung wird die Balkenmethode verwendet, wobei der einfach unterstützte Balken als Grundsystem dient. Die Abstützung des Bodens auf der Rohrleitung wird als an den Verbindungsstellen konzentrierte Federunterstützung betrachtet, und das Wissen der Strukturmechanik wird genutzt, um die Stützreaktionskraft und das Biegemoment jeder Verbindung zu ermitteln, was wiederum die Lösung der Rohrleitung vervollständigt Durchbiegung und den Drehwinkel des Gelenks. Im Lösungsprozess dieser Arbeit gelten die folgenden Annahmen:

Rohrleitungen außerhalb des Einwirkungsbereichs des Tunnelaushubs sind nicht betroffen.

Rohrleitung und Erdreich stehen ständig in Kontakt und der Volumenverlust bleibt unverändert.

Der Tunnel wird durch das Vorhandensein der Pipeline nicht beeinträchtigt.

Wenn die Länge der Rohrleitung in kleinere Abschnitte unterteilt wird, wird davon ausgegangen, dass die zusätzliche Belastung des Bodens auf die Rohrleitungseinheit linear verteilt ist.

Bodensetzung durch Tunnelaushub.

Berechnungsmodell für die Interaktion zwischen Pipeline und Boden: (a) zusätzliche Lasten, die auf die Pipeline einwirken; (b) kontinuierliche Verformung der Rohrleitung.

Nach den oben genannten Ideen kann zunächst die Verformung der Bodenschicht während des Tunnelaushubs berechnet werden. Peck22 sammelte und kompilierte Daten aus einer Vielzahl von Ingenieurbeispielen und stellte fest, dass die Greenfield-Setzungskurve senkrecht zur Tunnelachse aufgrund des Volumenverlusts während des Tunnelaushubs ungefähr der folgenden Funktion entspricht (siehe Abb. 2):

wobei H die Tunneltiefe ist; R ist der Tunnelradius; zs ist der Abstand von der Bodenschicht zur Oberfläche; S(x) ist die Bodensetzung bei x, Smax ist der Maximalwert der Bodensetzung; x ist der horizontale Abstand zur Tunnelachse; η ist der Volumenverlust. η kann auch anhand vorhandener ähnlicher Tunnelbauprojekte ermittelt werden, wenn dieser schwierig zu ermitteln ist. ist der Abstand zwischen dem Wendepunkt der Bodensetzungskurve und dem Symmetriezentrum der Setzungskurve unter Verwendung der von Jiang et al.23 vorgeschlagenen Formel, wie in Gl. (3).

Diskontinuierliche Rohrleitungen sind im Alltag meist Flansch- oder Muffenverbindungen zwischen Rohrleitungsabschnitten. Für die Zwecke dieser Analyse werden die Abschnitt-zu-Abschnitt-Verbindungen als „diskontinuierliche Verbindungen“ bezeichnet.

Wenn sich die Position der „diskontinuierlichen Verbindungen“ der Rohrleitung in Bezug auf die Tunnelachse ändert, ändert sich auch die entsprechende Verformung der Rohrleitung. Daher betrachteten Klar et al.9 zwei Sonderfälle und definierten zwei Positionen der „diskontinuierlichen Fugen“ in Bezug auf die Tunnelachse: ①wenn die Tunnelachse direkt unter den „diskontinuierlichen Fugen“ liegt, wie in Abb. 4a dargestellt, es wird als „seltsam“ definiert; ②Wenn die Tunnelachse direkt unter der Mitte des Rohrleitungsabschnitts liegt, wie in Abb. 4b dargestellt, wird sie als „gerade“ definiert.

„Diskontinuierliche Verbindungen“ an verschiedenen Stellen von der Tunnelachse für (a) ungerade; (b) gerade.

In dieser Studie wird ein Pipelineabschnitt ausgewählt und seine Aufteilungsidee im Detail wie folgt erläutert. Basierend auf der Starrstabmethode wird die Abstützung des Bodens auf der Rohrleitung durch eine endliche Anzahl von Federstützen ersetzt, wie in Abb. 5a dargestellt, was das Problem zu einem endlichen statisch unbestimmten Problem vereinfacht, und den Abstand der Federstützen wird entsprechend den Genauigkeitsanforderungen bestimmt. Wie in Abb. 5b dargestellt, wird als Grundsystem ein einfach abgestützter Balken verwendet; Die Pipeline ist in gleiche endliche Teile unterteilt, die Pipeline-Einheiten genannt werden. die Verbindungspunkte zwischen den Rohrleitungseinheiten und den Rohrleitungseinheiten werden als Gelenke bezeichnet und das Innere der Rohrleitungseinheiten ist durchgehend und homogen; Die Steifigkeit des Federträgers beträgt Kl (K ist der modifizierte Elastizitätsmodul des Bodens und l die Länge der Rohrleitungseinheit). Beim Teilen diskontinuierlicher Rohrleitungen treten zwei Arten von Verbindungen auf: ① „Durchgehende Verbindung“, diese Verbindung ist im Rohrleitungsabschnitt kontinuierlich und die Rotationssteifigkeit ist unendlich; ②"Diskontinuierliche Verbindung", die Verbindung befindet sich im Rohrleitungsabschnitt und ist mit dem Rohrleitungsabschnitt verbunden, und die Rotationssteifigkeit hängt von der Art und Weise ab, wie der Rohrleitungsabschnitt verbunden ist. Bei der Berechnung wird die Länge beider Gelenke vernachlässigt und das Gelenk als Punkt betrachtet. Das „kontinuierliche Gelenk“ wird als elastisches Gelenk betrachtet, das Biegemoment auf beiden Seiten des elastischen Gelenks ist gleich, und wenn die Rotationssteifigkeit des „kontinuierlichen Gelenks“ unendlich ist, beträgt der Drehwinkel des Gelenks 0; Die „diskontinuierliche Verbindung“ wird als elastisches Gelenk betrachtet, das Biegemoment auf beiden Seiten des elastischen Gelenks ist gleich und die Rotationssteifigkeit der „diskontinuierlichen Verbindung“ hängt von der Verbindungsmethode zwischen den Rohrleitungsabschnitten und der Drehung ab Der Winkel des Gelenks ist nicht 0. Dabei ist die Rotationssteifigkeit β des „kontinuierlichen Gelenks“ unendlich und die Rotationssteifigkeit β0 des „diskontinuierlichen Gelenks“ ein konstanter Wert.

Künstliche Aufteilung von Rohrleitungsabschnitten zur: (a) Bestimmung von l; (b) Bestimmung des Grundsystems. Hinweis: Im Index (i, m) gibt die erste Zahl i die Nummer des Rohrleitungsabschnitts und die zweite Zahl m die Nummer der innerhalb des Rohrleitungsabschnitts geteilten Verbindung an. Sowohl i als auch m werden in dieser Studie von 0 an nummeriert.

Der Rohrleitungsabschnitt ist wie in Abb. 5b dargestellt unterteilt und aus Platzgründen wird nur das schematische Diagramm des Rohrleitungsabschnitts i gezeichnet. Der Zusammenhang zwischen der Stützreaktionskraft und der Verschiebung an den Verbindungsstellen ist pi,m = wi,mKl.

Es wird nur die Situation berücksichtigt, in der die Rohrleitung und der Tunnel senkrecht zueinander stehen. Basierend auf der Starrstabmethode wird als Grundsystem ein einfach gelagerter Balken verwendet. Die Abstützung der Rohrleitung durch den Boden wird als an der Verbindungsstelle konzentrierte Federabstützung betrachtet. Der Zusammenhang zwischen der Reaktionskraft der Federunterstützung und der Setzung der Verbindung ist in Abb. 5b dargestellt.

Das Ziel dieser Studie ist es, die vertikale Verschiebung und den Drehwinkel des Gelenks zu ermitteln. Zunächst werden in dieser Studie die allgemeine Formel für die vertikale Verschiebung ws und die allgemeine Formel für das Biegemoment Ms jedes Gelenks festgelegt, wie in Abb. 6 dargestellt. Das Gelenk s wird ausgewählt und der Lösungsprozess für die Stützreaktionskraft durchgeführt wird im Detail erklärt: Die Autoren wählen den einfach unterstützten Balken auf der linken Seite der Verbindung aus, stellen Gl. (4a) gemäß Momentenbilanz und Lösung für die Stützreaktionskraft psl; Wählen Sie den einfach unterstützten Balken auf der rechten Seite der Verbindung aus und stellen Sie Gl. (4b) gemäß Momentenbilanz und Lösung für die Stützreaktionskraft psr; Lösen Sie die gesamte Stützreaktionskraft des Gelenks gemäß Gl. auf. (4c), Umrechnung der Stützreaktionskraft in die vertikale Verschiebung des Gelenks Gl. (4e).

Schematische Darstellung der allgemeinen Formelberechnung.

Der Drehwinkel des Gelenks wird gemäß Abb. 6 gelöst. Durch die Kenntnisse der Strukturmechanik wird der Drehwinkel am Balkenende des einfach gelagerten Balkens aufgrund von verteilten Lasten und Biegemomenten berechnet, der Drehwinkel θs des Das Gelenk wird wie in Gl. gelöst und berechnet. (6a). Nach der Multiplikation beider Seiten von Gl. (6a) durch die Rotationssteifigkeit des Gelenks βs, wird es dann vereinfacht und in Gleichung kollabiert. (6c).

Dabei sind psl und psr die Stützreaktionskräfte, die vom einfach gelagerten Balken links vom Gelenk und vom einfach gelagerten Balken rechts vom Gelenk bereitgestellt werden. θs ist der relative Drehwinkel der beiden Seiten des Fittings, positiv, wobei sich die rechte Rohrleitungseinheit des Fittings in Bezug auf die linke Rohrleitungseinheit im Uhrzeigersinn dreht; Ml, Ms und Mr sind die Biegemomente des Gelenks, deren positives und negatives Moment dem Drehwinkel des Gelenks entspricht; Sl, Ss und Sr sind die vertikalen Setzungen des Bodens an den Fugen; E ist der Elastizitätsmodul des Bodens; v ist die Poisson-Zahl des Bodens; EpIp ist die Biegesteifigkeit der Rohrleitung; βs ist die Rotationssteifigkeit des Gelenks; K ist der modifizierte Elastizitätsmodul des Bodens, der mit der von Vesic et al.24 vorgeschlagenen und von Attewell et al.1 modifizierten Methode berechnet werden kann, wie in Gleichung (1) gezeigt. (5).

Kontinuierliche Rohrleitungen haben nur einen Verbindungstyp, nämlich „durchgehende Verbindung“, diskontinuierliche Rohrleitungen hingegen haben zwei Verbindungsarten, nämlich „diskontinuierliche Verbindung“ und „durchgehende Verbindung“. Die Rotationssteifigkeit von „diskontinuierlichen Gelenken“ wird durch βs = β0 und die von „kontinuierlichen Gelenken“ durch βs = β dargestellt. Für „diskontinuierliche Verbindungen“ gibt es zwei Grenzzustände für den Wert der Rotationssteifigkeit: ①Wenn β0 → 0, ist die Rohrleitung an dieser Stelle angelenkt; ②Wenn β0 → ∞, ist die Rohrleitung in dieser Position durchgehend.

In dieser Studie sind die beiden Hauptanalysetypen „ungerade“ und „gerade“. Aufgrund der Symmetrie der Rohrleitungsverformung wird nur die rechte Hälfte der Tunnelachse zur Analyse herangezogen.

Die Tunnelachse liegt direkt unterhalb der „Diskontinuierlichen Fuge“. Aus Platzgründen wird nur der erste Rohrleitungsabschnitt direkt über der Tunnelachse rechts gezeichnet, wie in Abb. 7 dargestellt. Im „seltsamen“ Fall werden n Rohrleitungsabschnitte zur Untersuchung herangezogen, die Länge des Rohrleitungsabschnitts beträgt jeweils L Der Rohrleitungsabschnitt ist in eine gerade Anzahl von Teilen λ unterteilt, und die Länge der Rohrleitungseinheit beträgt l = L/λ. Berechnen Sie die Gesamtlänge nL mit insgesamt nλ + 1 Verbindungen, davon n + 1 „diskontinuierliche Verbindungen“ und n (λ − 1) „kontinuierliche Verbindungen“.

Berechnungsmodell diskontinuierlicher Rohrleitungen im „ungerade“ Fall.

Die Rohrleitungseinheiten werden als einfach gelagerte Träger mit Biegemomenten an den Verbindungsstellen betrachtet. Die zusätzliche Belastung, die durch den Boden auf die Rohrleitung einwirkt, wird als lineare verteilte Last auf jede Rohrleitungseinheit betrachtet.

Für jedes Gelenk können die Gleichungen, die ws und Ms enthalten, gemäß den Gleichungen aufgestellt werden. (4e) und (6b). Es ist zu beachten, dass es zwei verschiedene Arten von Verbindungen gibt: ① „diskontinuierliche Verbindungen“ und ② „kontinuierliche Verbindungen“.

Für ①„diskontinuierliche Verbindungen“:

Für ②„durchgehende Verbindungen“:

Die Rohrleitungsverformung ist symmetrisch zur Tunnelachse und Randbedingungen können wie in den Gleichungen festgelegt werden. (9a), (9b) und (9c). Wenn die Rohrleitung lang genug und weit genug entfernt ist, wird davon ausgegangen, dass das Biegemoment der Rohrleitung, die Rohrleitungsverschiebung und die Bodenverschiebung außerhalb des vom Tunnelaushub betroffenen Bereichs Null sind und die Randbedingungen Gl. (9d), (9e) und (9f) können aufgestellt werden.

In den obigen Gleichungen sind wi, m und Mi, m unbekannte Größen, insgesamt 2nλ + 6 Unbekannte, in denen 2nλ + 2 Gleichungen für jedes Gelenk im Format der Gleichungen erstellt werden können. (7a), (7b), (8a) und (8b), kombiniert mit den Randbedingungen Gl. (9a), (9b), (9c), (9d), (9e) und (9f). Die Stützreaktionskräfte und die Biegemomente der Gelenke können nach der Zusammenstellung in Matrixform dargestellt werden, wie in den Gleichungen gezeigt. (10a), (10b), (10c) und (10d). Das Biegemoment jedes Gelenks wird aus Gl. berechnet. (10d) und dann wird der Drehwinkel jedes Gelenks aus Gleichung berechnet. (10e).

Durch die Kopplung der Gl. (7a), (7b), (8a), (8b), (9a), (9b), (9c), (9d), (9e) und (9f). Die Matrizen und Vektoren in Gl. (10c) und (10d) lassen sich im Detail wie folgt darstellen.

Die Matrix [D] wird im Detail durch die Gleichungen dargestellt. (12f), (12g) und (12h).

wobei βc = 4 + 6EpIp/(lβ), βb = 4 + 6EpIp/(lβ0).

Die Gleichungen (12a), (12b), (12c), (12d), (12e), (12f), (12g) und (12h) werden in die Gleichungen eingesetzt. (10c) und (10d) sowie die Durchbiegung der diskontinuierlichen Rohrleitung und das Biegemoment des Gelenks im „ungeraden“ Fall können gelöst werden, gefolgt vom Drehwinkel des Gelenks.

Die Tunnelachse liegt direkt unterhalb der Mitte des Rohrleitungsabschnitts, aus Platzgründen sind nur eineinhalb Rohrleitungsabschnitte direkt oberhalb der Tunnelachse eingezeichnet, wie in Abb. 8 dargestellt. Die Hälfte des Rohrleitungsabschnitts und die n Rohrleitungsabschnitte rechts daneben werden analysiert. Jeder Rohrleitungsabschnitt ist in eine gerade Anzahl von Teilen λ unterteilt, die Länge des Rohrleitungsabschnitts beträgt L und die Länge der Rohrleitungseinheit beträgt l = L/λ; Die berechnete Gesamtlänge wird als nL + 0,5L angenommen, insgesamt (n + 0,5)λ + 1 Verbindungen, davon „diskontinuierliche Verbindungen“ n + 1 und „kontinuierliche Verbindungen“ n(λ − 1) + 0,5λ.

Berechnungsmodell diskontinuierlicher Rohrleitungen im „geraden“ Fall.

Der Berechnungsprozess im „ungerade“ und „geraden“ Fall ist derselbe; Der Unterschied besteht darin, dass im „geraden“ Fall die Tunnelachse direkt unter der Mitte des Rohrleitungsabschnitts liegt, während im „ungeraden“ Fall die Tunnelachse direkt unter der „diskontinuierlichen Verbindung“ liegt. Die gleichen Gleichungen. (4e), (6b), (7a), (7b), (8a) und (8b) können im „geraden“ Fall festgestellt werden.

Die im „geraden“ Fall festgelegten Randbedingungen sind die Gl. (13a), (13b), (13c), (13d), (13e) und (13f).

Im „geraden“ Fall sind wi, m und Mi, m unbekannte Größen, insgesamt 2nλ + λ + 6. 2nλ + λ + 2 Gleichungen können gemäß Gl. (7a), (7b), (8a) und (8b) berechnet und dann mit den Randbedingungen Gl. (13a), (13b), (13c), (13d), (13e) und (13f). Die vertikalen Verschiebungen und Biegemomente der Gelenke können nach der Zusammenstellung in Matrixform dargestellt werden, wie in den Gleichungen gezeigt. (14a), (14b), (14c) und (14d). Das Biegemoment jedes Gelenks wird aus Gl. berechnet. (14d) und dann wird der Drehwinkel jedes Gelenks aus Gleichung berechnet. (14e).

Durch die Kopplung der Gl. (7a), (7b), (8a) und (8b) und Gl. (13a), (13b), (13c), (13d), (13e) und (13f), die Matrizen und Vektoren in Gl. (14c) und (14d) lassen sich im Detail wie folgt darstellen.

Die Matrix [D]' wird im Detail durch die Gleichungen dargestellt. (16f), (16g) und (16h).

Die Gleichungen (16a), (16b), (16c), (16d), (16e), (16f), (16g) und (16h) werden in die Gleichungen eingesetzt. (14c) und (14d) sowie die Durchbiegung der diskontinuierlichen Rohrleitung und das Biegemoment des Gelenks im „geraden“ Fall können gelöst werden, gefolgt vom Drehwinkel des Gelenks.

In Anbetracht des oben Gesagten ist die Berechnung der Rohrleitungsverformung für die beiden unterschiedlichen Fälle abgeschlossen. Wenn die Verformung einer durchgehenden Rohrleitung gelöst werden muss, ersetzen Sie einfach β0 durch β.

Abbildung 9 stellt das Berechnungsverfahren für die Rohrleitungsverformung und das Hauptberechnungsverfahren für die Rohrleitungsverformung dar und wird wie folgt im Detail beschrieben:

Berechnung der Greenfield-Verschiebung S(x) und Berechnung der auf die Rohrleitung wirkenden Zusatzlast KS(x);

Berechnen Sie die Länge der Rohrleitungseinheit l und bestimmen Sie die Rotationssteifigkeit βs jedes Gelenks (β für „kontinuierliche Gelenke“ und β0 für „diskontinuierliche Gelenke“);

Basierend auf den Kenntnissen der Strukturmechanik werden die Gleichungen für jedes Gelenk, das ws und Ms enthält, gemäß den Gleichungen aufgestellt. (4e) und (6c);

Berechnen Sie durch Kombination der Randbedingungen das Biegemoment der Verbindung und die Durchbiegung der Rohrleitung. Wenn die Rohrleitung diskontinuierlich ist, geben Sie die Rohrleitungsdurchbiegung {w} und den Gelenkdrehwinkel θs aus. Wenn die Pipeline kontinuierlich ist, geben Sie die Pipeline-Durchbiegung {w} aus.

Flussdiagramm zur Berechnung.

Ma25 lieferte die Messdaten des Schildtunnelaushubs in einem bestimmten Abschnitt des U-Bahn-Projekts Shenzhen. Dieser Abschnitt des Tunnels befindet sich in kiesigem Ton und sandigem Ton und ist ein typischer Erdtunnel. Die Rohrleitung verläuft senkrecht zum Tunnel. Die relevanten Berechnungsparameter für das technische Beispiel sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die berechnete Länge der Rohrleitungseinheit beträgt l = 0,2 m. Dieses Projekt wurde genutzt, um die spezifischen Werte der Rotationssteifigkeit des „Durchgehenden Gelenks“ in der Berechnung zu ermitteln.

Bei der eigentlichen Berechnung ist es nicht möglich, β = ∞ in die Berechnung einzubeziehen, aber durch Einbeziehung eines bestimmten größeren Werts in die Berechnung kann die Genauigkeit der Berechnung ebenfalls gewährleistet werden.

Um sicherzustellen, dass die Rotationssteifigkeit des „Durchgehenden Gelenks“ ausreichend groß ist, wird empfohlen, die Rotationssteifigkeit des „Durchgehenden Gelenks“ nach Gl. (17), indem der größere Wert verwendet wird, um anzuzeigen, dass die Verbindung durchgehend ist.

wobei u der Berechnungsparameter ist.

Durch Ändern des Werts von u erhält man die Beziehung zwischen dem maximalen Durchbiegungswert der Rohrleitung und der Änderung von lg(u), wie in Abb. 10a dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass mit zunehmendem Wert von lg(u) der Wert von lg(u) zunimmt , nimmt der maximale Durchbiegungswert der Rohrleitung allmählich ab. Bei lg(u) = 4, 5 und 6 betragen die berechneten Maximalwerte der Rohrleitungsdurchbiegung 8,4953 mm, 8,4952 mm bzw. 8,4952 mm, was zeigt, dass sich der Maximalwert der Rohrleitungsdurchbiegung nach lg(u) grundsätzlich nicht ändert. = 5. Daher wurde in dieser Studie ermittelt, dass u = 105, dh die Rotationssteifigkeit des „durchgehenden Gelenks“ β = 105EpIp/l.

Vergleich mit Felddaten: (a) Variation der maximalen Auslenkung der Rohrleitung mit β; (b) berechnete und gemessene Werte.

Abbildung 10b zeigt einen Vergleich der berechneten Ergebnisse mit den Felddaten, aus dem ersichtlich ist, dass die berechneten Ergebnisse gut mit den Felddaten übereinstimmen. Die Abweichung zwischen der mit dieser Untersuchungsmethode berechneten maximalen Pipeline-Durchbiegung und dem Feldwert beträgt 2,35 %. Die Korrektheit dieser Studie bei der Lösung der kontinuierlichen Rohrleitungsverformung wird bestätigt.

Diese Studie definiert die Abweichung zwischen vorhergesagten Werten und Feldwerten als: Abweichung = (vorhergesagter Wert – Feldwert)/Feldwert.

Vorster26 hat die vertikale Verformung der Pipeline gemessen, die durch den Tunnelaushub unter der Bedingung einer Zentrifugalbeschleunigung von 75 g verursacht wurde. Die Einzelheiten des Bodenkörpers, der verbundenen Modellrohrleitungen und des Prüfverfahrens sind in Vorster26 beschrieben. Die relevanten berechneten Parameter für den Zentrifugentest sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die Abbildungen 11a und b zeigen einen Vergleich der berechneten Ergebnisse der in dieser Studie vorgeschlagenen Methode mit den experimentellen Daten. Für Versuch 1 beträgt die Abweichung zwischen der mit dieser Untersuchungsmethode berechneten maximalen Rohrleitungsdurchbiegung und dem experimentellen Wert − 6,12 %. Für Versuch 2 beträgt die Abweichung zwischen der mit dieser Untersuchungsmethode berechneten maximalen Rohrleitungsdurchbiegung und dem experimentellen Wert 4,42 %. Für Versuch 3 beträgt die Abweichung zwischen der mit dieser Untersuchungsmethode berechneten maximalen Rohrleitungsdurchbiegung und dem experimentellen Wert − 31,27 %. Für Test 4 beträgt die Abweichung zwischen der mit dieser Untersuchungsmethode berechneten maximalen Rohrleitungsdurchbiegung und dem experimentellen Wert 0,88 %. Der maximale Auslenkungswert im „ungerade“ Fall ist größer als der maximale Auslenkungswert im „geraden“ Fall. Die berechneten Ergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Daten überein, was die Richtigkeit der Methode bestätigt.

Vergleich mit Zentrifugenexperiment für: (a) ungerade; (b) gerade.

Sun et al.27 führten eine Durchbiegungsüberwachung von Gaspipelines durch, die vom Schildtunnelaushub betroffen waren. Basierend auf den Informationen dieses Projekts, bereitgestellt von Zhang et al.11 und Sun et al.27, sind die relevanten Berechnungsparameter für das technische Beispiel in Tabelle 3 aufgeführt.

Abbildung 12 zeigt einen Vergleich der berechneten Ergebnisse der in dieser Studie vorgeschlagenen Methode mit den Felddaten. Die Abweichung zwischen der mit dieser Untersuchungsmethode berechneten maximalen Pipeline-Durchbiegung und dem Feldwert beträgt 11,43 %. Während des Tunnelaushubs kam es zu einer Anhebung des Bodens, was wiederum zu einer Ausbeulung der Pipeline führte. Dieses Phänomen wurde jedoch in Pecks empirischer Gleichung nicht berücksichtigt, sodass die berechneten Ergebnisse an einigen Stellen von den Felddaten abweichen. Insgesamt stimmen die berechneten Werte gut mit den Felddaten überein, was die Richtigkeit der Methode bestätigt.

Vergleich mit Felddaten.

Eine parametrische Studie wird unter Bezugnahme auf die Zentrifugenexperimente von Vorster26 durchgeführt, wobei zwei Fälle von „ungerade“ und „gerade“ analysiert werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Auswirkung des Volumenverlusts, des Verhältnisses der Länge des Rohrleitungsabschnitts zum Wendepunkt der Bodensetzungskurve, der Rotationssteifigkeit der „diskontinuierlichen Verbindung“ und des Bodenelastizitätsmoduls auf die Durchbiegung der Rohrleitung und den maximalen Drehwinkel der gemeinsam. Zu Vergleichszwecken haben die Autoren absolute Werte für die Gelenkdrehwinkel herangezogen.

Es werden verschiedene Volumenverluste analysiert η = 1 %, 2 %, 3 %. Die übrigen Parameter stimmen mit denen der von Vorster26 durchgeführten Modellzentrifugentests überein. Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindungen in „ungeraden“ und „geraden“ Fällen wurden diskutiert.

Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für unterschiedliche Volumenverluste im „ungeraden“ Fall sind in Abb. 13a und b dargestellt; Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für unterschiedliche Volumenverluste im „geraden“ Fall sind in Abb. 14a und b dargestellt. Die maximale Durchbiegung der Rohrleitung erfolgt immer direkt über der Tunnelachse und der maximale Drehwinkel der Verbindung tritt an der der Tunnelachse am nächsten gelegenen „diskontinuierlichen Verbindung“ auf. Ein Vergleich der Abb. Aus den Abbildungen 13a und 14a geht hervor, dass bei gleichen Berechnungsparametern die maximalen Rohrleitungsauslenkungswerte und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungeraden“ Fall größer sind als im „geraden“ Fall. Sowohl im „ungerade“ als auch im „geraden“ Fall zeigt die Grafik, dass mit zunehmendem Volumenverlust die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindung linear zunehmen. Dies zeigt, dass die Kontrolle des Volumenverlusts eine wirksame Maßnahme ist, um eine übermäßige Verformung der Rohrleitung zu verhindern.

Unterschiedliche Volumenverluste im „ungerade“ Fall: (a) Rohrleitungsumlenkung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit η.

Unterschiedliche Volumenverluste im „geraden“ Fall: (a) Rohrleitungsumlenkung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit η.

Die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für verschiedene η-Werte im „ungerade“ und „geraden“ Fall sind in Tabelle 4 dargestellt.

Verschiedene Rotationssteifigkeiten des „diskontinuierlichen Gelenks“ werden analysiert (1) β0 = 4,47 × 106N⋅m/rad; (2) β0 = 4,47 × 108N⋅m/rad; (3) β0 = 4,47 × 1010 Nm/rad. Der Volumenverlust beträgt η = 2 %. Die übrigen Parameter stimmen mit denen der von Vorster26 durchgeführten Modellzentrifugentests überein. Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindungen in „ungeraden“ und „geraden“ Fällen wurden diskutiert.

Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für unterschiedliche Drehsteifigkeiten im „ungeraden“ Fall sind in Abb. 15a und b dargestellt; Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für unterschiedliche Drehsteifigkeiten im „geraden“ Fall sind in Abb. 16a und b dargestellt. Bei den Berechnungen wurde festgestellt, dass die maximale Durchbiegung der Rohrleitung immer direkt über der Tunnelachse auftrat und der maximale Drehwinkel der Verbindung an der der Tunnelachse nächstgelegenen „diskontinuierlichen Verbindung“ auftrat. Ein Vergleich der Abb. Aus den Abbildungen 15a und 16a geht hervor, dass bei gleichen Berechnungsparametern die maximalen Rohrleitungsauslenkungswerte und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungeraden“ Fall größer sind als im „geraden“ Fall. Im „ungerade“ und „geraden“ Fall nehmen der maximale Auslenkungswert und der maximale Drehwinkel des Gelenks mit zunehmendem β0 ab.

Unterschiedliche Rotationssteifigkeiten im „ungerade“ Fall: (a) Durchbiegung der Rohrleitung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit β0.

Unterschiedliche Rotationssteifigkeiten im „geraden“ Fall: (a) Durchbiegung der Rohrleitung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit β0.

Die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für verschiedene β0-Werte im „ungerade“ und „geraden“ Fall sind in Tabelle 5 dargestellt.

Das Verhältnis der Länge des Rohrleitungsabschnitts zum Wendepunkt der Bodensetzungskurve wird analysiert: L/ist = 0,5, 1, 1,5, 2. Der Volumenverlust beträgt η = 2 %. Die übrigen Parameter stimmen mit denen der von Vorster26 durchgeführten Modellzentrifugentests überein. Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindungen in „ungeraden“ und „geraden“ Fällen wurden diskutiert.

Abbildung 17a und b zeigen die Durchbiegung der Rohrleitung und den maximalen Drehwinkel des Gelenks bei verschiedenen L/is für den „ungerade“ Fall; Abb. 18a und b zeigen die Durchbiegung der Rohrleitung und den maximalen Drehwinkel des Gelenks bei verschiedenen L/is für den „geraden“ Fall; Bei den Berechnungen zeigt sich, dass die maximalen Durchbiegungswerte der Rohrleitungen immer direkt über der Tunnelachse auftreten. Im „seltsamen“ Fall tritt der maximale Drehwinkel des Gelenks am „diskontinuierlichen Gelenk“ direkt über der Tunnelachse auf. Im „geraden“ Fall, wenn L/ist = 0,5, 1, liegt der maximale Drehwinkel des Gelenks bei x = ± 0,5L; wenn L/ = 1,5, 2 ist, liegt der maximale Drehwinkel des Gelenks bei x = ± 1,5L. Bei L/is = 1,5, 2,0 wölbt sich die Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindung tritt an der „diskontinuierlichen Verbindung“ der Ausbuchtung auf. Die zusätzlichen Bodenlasten auf die Pipeline konzentrieren sich hauptsächlich auf die Position der Tunnelachse, wobei an der Schulterstelle weniger zusätzliche Bodenlasten und an der Schulterstelle weniger Bodensetzungen auftreten. Bei längeren Rohrleitungsabschnitten kommt es vor, dass die zusätzliche Belastung auf der Seite nahe der Tunnelachse größer und auf der Seite abgewandt von der Tunnelachse kleiner ist; Dies wiederum führt zu einer Ausbeulung der Rohrleitung auf der Seite mit der geringeren Zusatzbelastung.

Unterschiedliche Verhältnisse der Länge des Rohrleitungsabschnitts zum Wendepunkt der Bodensetzungskurve im „ungerade“ Fall: (a) Rohrleitungsdurchbiegung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit L/is.

Unterschiedliche Verhältnisse der Länge des Rohrleitungsabschnitts zum Wendepunkt der Bodensetzungskurve im „geraden“ Fall: (a) Rohrleitungsdurchbiegung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit L/is.

Ein Vergleich der Abb. Aus den Abbildungen 17a und 18a geht hervor, dass bei gleichen Berechnungsparametern die maximalen Rohrleitungsauslenkungswerte und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungeraden“ Fall größer sind als im „geraden“ Fall. Im „seltsamen“ Fall tendieren sowohl die maximale Durchbiegung der Rohrleitung als auch der maximale Drehwinkel des Gelenks dazu, zuzunehmen und dann abzunehmen, wenn L/is zunimmt, mit einem Spitzenwert bei L/is = 1,5. Die maximale Auslenkung der Rohrleitung nimmt im „geraden“ Fall tendenziell ab, wenn der Wert von L/is zunimmt; Der maximale Drehwinkel des Gelenks nimmt tendenziell zu und dann ab, wenn L/is zunimmt, und erreicht ein Maximum bei L/is = 1.

Die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für verschiedene L/is-Werte im „ungerade“ und „geraden“ Fall sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Es werden verschiedene Bodenelastizitätsmodule analysiert: E = 10 MPa, 30 MPa, 50 MPa. Die relative Steifigkeit des Pipeline-Bodens (EpIp/(Eis4)) nimmt mit zunehmendem E ab. Der Volumenverlust beträgt η = 2 %. Die übrigen Parameter stimmen mit denen der von Vorster26 durchgeführten Modellzentrifugentests überein. Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindungen in „ungeraden“ und „geraden“ Fällen wurden diskutiert.

Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Gelenke für unterschiedliche Bodenelastizitätsmodule E im „ungeraden“ Fall sind in Abb. 19a und b dargestellt; Die Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Gelenke für unterschiedliche Bodenelastizitätsmodule E im „geraden“ Fall sind in Abb. 20a und b dargestellt. Bei den Berechnungen wird festgestellt, dass die maximale Durchbiegung der Rohrleitung immer direkt über der Tunnelachse auftritt und der maximale Drehwinkel der Verbindung an der der Tunnelachse nächstgelegenen „diskontinuierlichen Verbindung“ auftritt. Ein Vergleich der Abb. Aus den Abbildungen 19a und 20a geht hervor, dass bei gleichen Berechnungsparametern die maximalen Rohrleitungsauslenkungswerte und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungeraden“ Fall größer sind als im „geraden“ Fall. Im „seltsamen“ Fall nehmen der maximale Durchbiegungswert der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks mit zunehmendem E ab. Im „geraden“ Fall nehmen der maximale Durchbiegungswert der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks mit zunehmendem E zu. Aus der Grafik ist ersichtlich, dass die Änderung von E nur geringe Auswirkungen auf die Verformung der diskontinuierlichen Rohrleitung hat.

Unterschiedliche Bodenelastizitätsmodule im „ungerade“ Fall: (a) Durchbiegung der Rohrleitung; (b) Variation des maximalen Drehwinkels mit E.

Die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel des Gelenks für verschiedene E-Werte im „ungerade“ und „geraden“ Fall sind in Tabelle 7 dargestellt.

Die meisten Fachliteratur befasst sich mit kontinuierlichen Rohrleitungen, jedoch weniger mit diskontinuierlichen Rohrleitungen. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit die durch Tunnelaushub verursachte Verformung diskontinuierlicher Rohrleitungen untersucht. Die Setzung des Bodens auf der grünen Wiese an der vergrabenen Position der Pipeline wird als zusätzliche Belastung für die bestehende Pipeline genutzt. Basierend auf der Starrstabmethode wird die Rohrleitung in gleichlange Rohrleitungseinheiten unterteilt und die Abstützung des Bodens auf der Rohrleitung als eine an der Verbindungsstelle konzentrierte Federabstützung betrachtet, wobei als Grundsystem ein einfach abgestützter Balken verwendet wird. Das Wissen der Strukturmechanik wird genutzt, um die vertikale Verschiebung und den Drehwinkel der Verbindung zu ermitteln. Dabei wird eine neue Methode vorgeschlagen, mit der die Verformung kontinuierlicher und diskontinuierlicher Rohrleitungen berechnet werden kann. Die Wirksamkeit der Methode wird in dieser Arbeit durch Vergleich mit technischen Beispielen und Zentrifugentestergebnissen überprüft und die Einflussfaktoren der Rohrleitungsverformung analysiert. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Die auf das Rohr wirkende zusätzliche Belastung nimmt mit zunehmendem Volumenverlust zu, sodass sowohl die maximale Durchbiegung der Rohrleitung als auch der maximale Drehwinkel der Verbindung linear ansteigen. Die Steifigkeit der diskontinuierlichen Rohrleitung gegenüber Verformungen nimmt mit zunehmender Rotationssteifigkeit der „diskontinuierlichen Verbindung“ zu, sodass sowohl die maximale Durchbiegung des Rohrs als auch der maximale Drehwinkel der Verbindung abnehmen.

Im „seltsamen“ Fall, wenn die Länge des Rohrleitungsabschnitts kurz ist (L/ist < 1,5), ist die Fähigkeit der Rohrleitung, Verformungen zu widerstehen, schwach und die Verformung der Rohrleitung kommt der Verformung des Bodens nahe; In diesem Stadium nimmt der Unterschied zwischen der Verformung der Rohrleitung und der Verformung des Bodens mit zunehmender Länge des Rohrleitungsabschnitts zu, und die maximale Durchbiegung der Rohrleitung und der maximale Drehwinkel der Verbindung nehmen allmählich zu. Der Rohrleitungsabschnitt verfügt über eine gewisse Fähigkeit, Verformungen zu widerstehen. Wenn die Länge des Rohrleitungsabschnitts lang ist (L/ist > 1,5), wird die Integrität der Rohrleitung mit zunehmender Länge des Rohrleitungsabschnitts und der maximalen Durchbiegung der Rohrleitung verbessert Der Drehwinkel des Gelenks nimmt allmählich ab. Im „geraden“ Fall nimmt die Integrität der Rohrleitung mit zunehmender Länge des Rohrleitungsabschnitts zu, die maximale Durchbiegung der Rohrleitung nimmt allmählich ab, der Rohrleitungsabschnitt hat eine gewisse Fähigkeit, Verformungen zu widerstehen, und der maximale Drehwinkel der Verbindung nimmt zunächst zu und nimmt dann ab.

Mit zunehmendem E nimmt die relative Steifigkeit von Pipeline-Boden (EpIp/(Eis4)) allmählich ab und die Koordination zwischen Pipeline und Boden nimmt zu, sodass sich die Pipeline-Verformung allmählich der des Bodens annähert. Daher verringern sich die maximale Rohrleitungsauslenkung und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungeraden“ Fall allmählich, während die maximale Rohrleitungsauslenkung und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „geraden“ Fall allmählich zunehmen.

Bei gleichen berechneten Parametern sind die maximale Rohrleitungsauslenkung und der maximale Drehwinkel des Gelenks im „ungerade“ Fall größer als im „geraden“ Fall. Der Grund dafür ist, dass die Rotationssteifigkeit des „kontinuierlichen Gelenks“ größer ist als die des „diskontinuierlichen Gelenks“.

In dieser Studie wird davon ausgegangen, dass die Pipeline nicht durch seitliche Erddrücke beeinflusst wird und nur deren Einfluss durch Bodenverdrängungslasten berücksichtigt wird, wohingegen die Pipeline im tatsächlichen Ingenieurbau auch durch Tunnelaushub und Bodenstruktur beeinflusst wird. Die Autoren gehen davon aus, dass der Boden homogen ist, in Wirklichkeit ist der Boden jedoch größtenteils inhomogen und der Baugrund ist anisotrop, geschichtet und elastisch-plastisch. Darüber hinaus weist die Formationsverschiebung dreidimensionale Eigenschaften auf, die sowohl vertikale als auch horizontale Verschiebungen umfassen sollten, in dieser Studie wird jedoch nur die vertikale Verschiebung berücksichtigt. Diese Studie behandelt die Tunnel-Pipeline-Boden-Interaktion als ein ebenes Problem und berücksichtigt nicht die 3D-Interaktion zwischen dem Tunnel und der unterirdischen Struktur.

Alle Daten, Modelle oder Codes, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Horizontaler Abstand zur Tunnelachse

Bodensetzung an Position x bzw. Maximalwert der Bodensetzung

Tunnelradius

Volumenverlust

Abstand zwischen dem Wendepunkt der Bodensetzungskurve und dem Symmetriezentrum der Setzungskurve

Abstand von der Bodenschicht zur Oberfläche

Tunneltiefe

Modifizierter Bodenelastizitätsmodul

Länge der Rohrleitungseinheit

Rotationssteifigkeit von „kontinuierlichen Gelenken“ bzw. „diskontinuierlichen Gelenken“.

Länge des Rohrleitungsabschnitts

Anzahl der geteilten Rohrleitungsabschnitte

Biegemoment des (i, m)-ten Gelenks

Drehwinkel des (i, m)-ten Gelenks, maximaler Drehwinkel des Gelenks

Reaktionskraft der Federunterstützung am (i, m)-ten Gelenk

Vertikale Verschiebung des (i, m)-ten Gelenks

Biegesteifigkeit der Rohrleitung

Bodenelastizitätsmodul

Poisson-Verhältnis des Bodens

Rohrleitungsdurchmesser

Vergrabungstiefe der Pipeline

Reaktionskräfte, die durch die einfach gelagerten Balken auf beiden Seiten der Verbindung auf die Verbindung ausgeübt werden

Drehwinkel des Gelenks s

Vertikale Setzungen des Bodens an den Fugen

Biegemomente der Gelenke l, s, r

Rotationssteifigkeit des Gelenks s

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51678230), der Science Foundation for Youths of Hunan Province of China (Grant No. 2021JJ40460) und dem Transportation Science and Technology Project der Provinz Henan (Grant No. 2019J-2-12; 2021J7), das Hengyang Science and Technology Innovation Plan Project (Grant-Nummer: 202250045321), für die wir dankbar danken.

College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha, 410082, Provinz Hunan, Volksrepublik China

Tao Yang und Minghui Yang

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Bo Deng

Fakultät für Bauingenieurwesen, Universität Xiamen, Xiamen, 361005, Provinz Fujian, Volksrepublik China

Minghui Yang

School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Peking, 100044, Volksrepublik China

Daxi Fu

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TY und BD verfassten den Haupttext und die Abbildungen des Manuskripts. MY und DF lieferten Forschungsideen und -methoden. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Minghui Yang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yang, T., Deng, B., Yang, M. et al. Ein neuer Ansatz zur Bewertung kontinuierlicher und diskontinuierlicher Rohrleitungsverformungen, die durch Bodentunnelaushub verursacht werden. Sci Rep 13, 12661 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38291-7

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Eingegangen: 16. Februar 2023

Angenommen: 06. Juli 2023

Veröffentlicht: 04. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38291-7

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