Uma nova abordagem para avaliar a deformação contínua e descontínua de tubulações induzida pela escavação de túneis de solo

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12661 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

A deformação da tubulação sobrejacente causada pela escavação do túnel de solo não pode ser ignorada no caso do pequeno espaçamento entre a tubulação e o túnel. Com base no método da barra rígida, foi estabelecido o modelo de interação tubulação-solo, tendo a viga simplesmente apoiada como sistema básico, e as cargas atuantes na tubulação pelo solo são consideradas distribuídas linearmente. Foram estabelecidos métodos de cálculo para deformações contínuas e descontínuas de tubulações. Os resultados calculados pelo método proposto concordam bem com os dados experimentais de testes de centrífuga e dados de campo. Estudo paramétrico sobre o efeito da perda de volume (η = 1%, 2%,3%), rigidez rotacional (β0 = 4,47 × 106N⋅m/rad, 4,47 × 108N⋅m/rad, 4,47 × 1010N⋅m/rad ), relação entre o comprimento da seção da tubulação e o ponto de inflexão da curva de assentamento do solo (L/is = 0,5, 1,0, 1,5, 2,0) e módulo de elasticidade do solo (E = 10 MPa, 30 MPa, 50 MPa) na deflexão e ângulo de rotação da junta do gasoduto descontínuo foram realizadas. Os resultados mostram que: (1) a deflexão máxima da tubulação e o ângulo máximo de rotação da junta aumentam à medida que η aumenta e diminuem à medida que β0 aumenta; (2) no caso "ímpar", a deflexão máxima da tubulação e o ângulo máximo de rotação da junta primeiro aumentam e depois diminuem à medida que L/is aumenta, atingindo um pico em L/is = 1,5, enquanto no caso "par" , a deflexão máxima da tubulação diminui à medida que L/is aumenta e o ângulo máximo de rotação da junta primeiro aumenta e depois diminui à medida que L/is aumenta; (3) no caso “ímpar”, a deflexão máxima da tubulação e o ângulo máximo de rotação da junta diminuem à medida que E aumenta, enquanto a tendência oposta é observada no caso “par”. Além disso, a deflexão máxima da tubulação e o ângulo máximo de rotação da junta são sempre maiores no caso “ímpar” do que no caso “par”.

A escavação de túneis de metrô urbano causa deformação do solo circundante, o que por sua vez causa danos, vazamentos e desprendimento de interface de dutos na camada de solo, e até causa cavidade estratificada ou colapso do solo em casos graves, ameaçando a segurança e estabilidade da cidade e a segurança da vida e da propriedade das pessoas. Por exemplo, em 5 de fevereiro de 2007, um trecho de construção da Linha 2 do Metrô de Nanjing, na província de Jiangsu, na China, causou a ruptura e a explosão de um gasoduto enterrado, resultando na perda de água, eletricidade e gás para mais de 5.000 residentes. nas proximidades devido à falta de investigação prévia do gasoduto circundante e à falta de trabalhos de escavação padrão. Além disso, em 24 de dezembro de 2014, na Estação Zongguan em Wuhan, província de Hubei, China, a escavação do túnel de proteção causou um rompimento local de uma linha principal de água já envelhecida, resultando em picos de água no poço de fundação e no túnel da linha direita. Assim, o cálculo razoável do valor de deformação da tubulação sobrejacente durante a escavação do túnel de solo tornou-se uma das questões mais preocupantes neste tipo de engenharia, conforme mostrado na Figura 1.

Caso de escavação de túneis em tubulações existentes: (a) tubulação contínua; (b) gasoduto descontínuo.

Para o cálculo da deformação da tubulação sobrejacente causada pela escavação do túnel, os métodos comuns para prever a deformação da tubulação incluem análise teórica1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 , simulação numérica16,17 e teste de modelo18,19. Comparada com os outros dois métodos, a análise teórica apresenta vantagens significativas na aplicação prática em virtude de sua simplicidade e conveniência, por isso muitos estudiosos realizaram muitas pesquisas sobre ela e alcançaram resultados ricos. Por exemplo, em 1986, Attewell et al.1 usaram pela primeira vez o modelo de fundação Winkler para explorar o impacto das passagens subterrâneas dos túneis nas tubulações subterrâneas existentes. Wang et al.2 estabeleceram um modelo teórico e analítico de interação duto-solo, obtiveram a solução analítica da deformação do duto e exploraram a lei da interação duto-solo. Klar et al.3 obtiveram uma solução analítica para a viga de fundação elástica Winkler para deformação de dutos devido à escavação de túneis e compararam-na com a solução de fundação elástica contínua, corrigindo os coeficientes de fundação para a viga de fundação elástica Winkler. Vorster et al.4 forneceram uma solução elástica contínua e verificaram sua viabilidade com testes de modelos centrífugos. Shi et al.5 forneceram uma solução para deformação contínua de dutos com base em um modelo de fundação Pasternak de dois parâmetros usando o método variacional de energia. Yang et al.6 resolveram a deformação da tubulação usando o método de variação de energia na suposição de que tanto os deslocamentos greenfield quanto os recalques da tubulação estão em conformidade com uma distribuição gaussiana. Fu et al.7 consideraram o fenômeno da separação da tubulação-solo e usaram um modelo de fundação Parsternak de dois parâmetros para fornecer uma solução para a deformação da tubulação causada pela escavação do túnel. Os estudos acima sobre os efeitos da escavação de túneis na tubulação sobrejacente foram realizados principalmente na suposição de que a tubulação é homogênea e contínua, por exemplo, tubulações com juntas soldadas, não podendo levar em conta a rotação permitida das juntas da tubulação.