토양 터널 굴착으로 인한 연속 및 불연속 파이프라인 변형을 평가하기 위한 새로운 접근법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12661(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

파이프라인과 터널 사이의 간격이 작은 경우 토양 터널 굴착으로 인한 상부 파이프라인의 변형은 무시할 수 없습니다. 강봉법을 기반으로 단순 지지 보를 기본 시스템으로 하는 파이프라인-지반 상호작용 모델을 구축하고, 지반에 의해 파이프라인에 작용하는 하중이 선형적으로 분포되는 것으로 간주합니다. 연속 및 불연속 파이프라인 변형에 대한 계산 방법이 확립되었습니다. 제안된 방법으로 계산된 결과는 원심분리기 실험 데이터 및 현장 데이터와 잘 일치한다. 체적 손실(eta = 1%, 2%,3%), 회전 강성(β0 = 4.47 × 106N⋅m/rad, 4.47 × 108N⋅m/rad, 4.47 × 1010N⋅m/rad)의 영향에 대한 파라메트릭 연구 ), 편향 및 접합 회전 각도에 대한 토양 침하 곡선(L/is = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0) 및 토양 탄성 계수(E = 10MPa, 30MPa, 50MPa)의 변곡점에 대한 파이프라인 단면 길이의 비율 불연속 배관 공사를 진행했습니다. 결과는 다음을 보여줍니다: (1) 최대 파이프라인 처짐과 조인트의 최대 회전 각도는 θ가 증가함에 따라 증가하고 β0이 증가함에 따라 감소합니다. (2) "홀수" 경우 최대 파이프라인 처짐과 조인트의 최대 회전 각도는 먼저 증가한 다음 L/is가 증가함에 따라 감소하여 L/is = 1.5에서 피크에 도달하는 반면 "짝수" 경우 , 최대 파이프라인 처짐은 L/is가 증가함에 따라 감소하고 조인트의 최대 회전 각도는 먼저 증가한 다음 L/is가 증가함에 따라 감소합니다. (3) "홀수"의 경우 E가 증가함에 따라 최대 파이프라인 처짐과 조인트의 최대 회전 각도가 감소하는 반면 "짝수"의 경우 반대 경향이 관찰됩니다. 또한 최대 파이프라인 편향과 조인트의 최대 회전 각도는 "짝수" 경우보다 "홀수" 경우에 항상 더 큽니다.

도시철도 터널의 굴착은 주변 지반의 변형을 일으키고, 이로 인해 지반의 배관 손상, 누수, 경계면 박리 등이 발생하고, 심할 경우 지층공동이나 지반붕괴 등의 원인이 되어 도시의 안전과 안정을 위협하게 된다. 그리고 사람들의 생명과 재산의 안전. 예를 들어, 2007년 2월 5일 중국 장쑤성 난징 지하철 2호선 건설 구간에서 매설된 가스 파이프라인이 파열 및 폭발하여 5000명 이상의 주민에게 물, 전기 및 가스 손실이 발생했습니다. 주변 가스관에 대한 사전 조사 부족과 표준적인 굴착 작업 부족으로 인해 인근 지역에 또한, 2014년 12월 24일 중국 후베이성 ​​우한의 종관역에서 실드 터널 굴착 작업으로 인해 이미 노후된 수도 본선이 국지적으로 파열되어 기초 구덩이와 우측 터널에 물이 급증했습니다. 따라서 토양 터널 굴착 중 상부 파이프라인의 변형 값에 대한 합리적인 계산은 그림 1과 같이 이러한 유형의 엔지니어링에서 가장 우려되는 문제 중 하나가 되었습니다.

기존 파이프라인의 터널 굴착 사례: (a) 연속 파이프라인; (b) 불연속적인 파이프라인.

터널 굴착으로 인한 상부 파이프라인 변형 계산을 위해 파이프라인 변형을 예측하는 일반적인 방법에는 이론적 분석1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15이 포함됩니다. , 수치 시뮬레이션16,17 및 모델 테스트18,19. 다른 두 가지 방법에 비해 이론적 분석은 단순성과 편리성으로 인해 실제 적용에 있어 상당한 이점을 갖고 있어 많은 학자들이 이에 대해 많은 연구를 진행하여 풍부한 결과를 얻었습니다. 예를 들어, 1986년에 Attewell et al.1은 기존 지하 파이프라인에 대한 터널 지하도의 영향을 조사하기 위해 처음으로 Winkler 기초 모델을 사용했습니다. Wang et al.2는 파이프라인-토양 상호 작용에 대한 이론적이고 분석적인 모델을 확립하고 파이프라인 변형에 대한 분석 솔루션을 얻었으며 파이프라인-토양 상호 작용의 법칙을 탐구했습니다. Klar et al.3은 터널 굴착으로 인한 배관 변형에 대한 Winkler 탄성 기초 보에 대한 해석 솔루션을 획득하고 이를 탄성 연속체 기초 솔루션과 비교하여 Winkler 탄성 기초 보에 대한 기초 계수를 수정했습니다. Vorster 등4은 연속 탄성 솔루션을 제공하고 원심 모델 테스트를 통해 타당성을 검증했습니다. Shi et al.5는 에너지 변화 방법을 사용하는 2-매개변수 Pasternak 기초 모델을 기반으로 연속 파이프라인 변형에 대한 솔루션을 제공했습니다. Yang et al.6은 그린필드 변위와 파이프라인 정착이 모두 가우스 분포를 따른다는 가정하에 에너지 변화 방법을 사용하여 파이프라인 변형을 해결했습니다. Fu et al.7은 파이프라인-토양 분리 현상을 고려하고 2-매개변수 Parsternak 기초 모델을 사용하여 터널 굴착으로 인한 파이프라인 변형에 대한 솔루션을 제공했습니다. 상부 파이프라인에 대한 터널 굴착의 영향에 대한 위의 연구는 대부분 파이프라인이 균질하고 연속적이라는 가정하에 수행되었습니다. 예를 들어 용접 조인트 파이프라인은 파이프라인 조인트의 허용 회전을 고려할 수 없습니다.