Un nuovo approccio per valutare la deformazione continua e discontinua della condotta indotta dallo scavo di gallerie nel terreno

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 12661 (2023) Citare questo articolo

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La deformazione della condotta sovrastante causata dallo scavo del tunnel nel terreno non può essere ignorata nel caso della piccola distanza tra la condotta e il tunnel. Basandosi sul metodo delle barre rigide, è stato stabilito il modello di interazione condotta-terreno, con la trave semplicemente appoggiata come sistema di base, e i carichi agenti sulla condotta dal terreno sono considerati distribuiti linearmente. Sono stati stabiliti metodi di calcolo per le deformazioni continue e discontinue delle tubazioni. I risultati calcolati con il metodo proposto concordano bene con i dati sperimentali delle prove centrifughe e con i dati sul campo. Studio parametrico sull'effetto della perdita di volume (η = 1%, 2%,3 %), rigidità rotazionale (β0 = 4,47 × 106N⋅m/rad, 4,47 × 108N⋅m/rad, 4,47 × 1010N⋅m/rad ), rapporto tra la lunghezza della sezione della tubazione e il punto di flesso della curva di cedimento del terreno (L/is = 0,5, 1,0, 1,5, 2,0) e il modulo elastico del terreno (E = 10 MPa, 30 MPa, 50 MPa) sulla deflessione e sull'angolo di rotazione del giunto della condotta discontinua sono stati realizzati. I risultati mostrano che: (1) la deflessione massima della tubazione e l'angolo massimo di rotazione del giunto aumentano all'aumentare di η e diminuiscono all'aumentare di β0; (2) nel caso "dispari", la deflessione massima della tubazione e l'angolo massimo di rotazione del giunto prima aumentano e poi diminuiscono all'aumentare di L/is, raggiungendo un picco a L/is = 1,5, mentre nel caso "pari" , la deflessione massima della tubazione diminuisce all'aumentare di L/is e l'angolo massimo di rotazione del giunto prima aumenta e poi diminuisce all'aumentare di L/is; (3) nel caso “dispari”, la deflessione massima della tubazione e l'angolo massimo di rotazione del giunto diminuiscono all'aumentare di E, mentre nel caso “pari” si osserva l'andamento opposto. Inoltre, la deflessione massima della tubazione e l'angolo massimo di rotazione del giunto sono sempre maggiori nel caso "dispari" rispetto al caso "pari".

Lo scavo di gallerie metropolitane urbane provoca deformazioni del terreno circostante, che a loro volta causano danni, perdite e distacchi di interfaccia delle condotte nello strato di terreno, e in casi gravi provocano addirittura cavità di falda o crollo del terreno, mettendo a rischio la sicurezza e la stabilità della città e la sicurezza della vita e dei beni delle persone. Ad esempio, il 5 febbraio 2007, una sezione in costruzione della linea 2 della metropolitana di Nanchino nella provincia di Jiangsu, in Cina, ha causato la rottura e l'esplosione di un gasdotto interrato, provocando la perdita di acqua, elettricità e gas per più di 5.000 residenti. nelle vicinanze a causa della mancanza di indagini preventive sul gasdotto circostante e della mancanza di lavori di scavo standard. Inoltre, il 24 dicembre 2014, presso la stazione Zongguan di Wuhan, nella provincia di Hubei, in Cina, lo scavo del tunnel di protezione ha causato uno scoppio locale di una linea principale dell'acqua già obsoleta, con conseguenti picchi d'acqua nella fossa di fondazione e nel tunnel della linea destra. Pertanto, il calcolo ragionevole del valore di deformazione della condotta sovrastante durante lo scavo del tunnel nel terreno è diventato uno dei problemi più preoccupanti in questo tipo di ingegneria, come mostrato in Fig. 1.

Caso di scavo di gallerie su condotte esistenti: (a) condotta continua; (b) gasdotto discontinuo.

Per il calcolo della deformazione della condotta sovrastante causata dallo scavo del tunnel, i metodi comuni per prevedere la deformazione della condotta includono l'analisi teorica1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15 , simulazione numerica16,17 e test del modello18,19. Rispetto agli altri due metodi, l'analisi teorica presenta notevoli vantaggi nell'applicazione pratica in virtù della sua semplicità e praticità, per questo molti studiosi hanno effettuato molte ricerche su di essa e hanno ottenuto ricchi risultati. Ad esempio, nel 1986, Attewell et al.1 utilizzarono per la prima volta il modello di fondazione Winkler per esplorare l'impatto dei sottopassi dei tunnel sulle condotte sotterranee esistenti. Wang et al.2 hanno stabilito un modello teorico e analitico dell'interazione condotta-suolo, hanno ottenuto la soluzione analitica della deformazione della condotta ed esplorato la legge dell'interazione condotta-suolo. Klar et al.3 hanno ottenuto una soluzione analitica per la trave di fondazione elastica Winkler per la deformazione della condotta dovuta allo scavo del tunnel e l'hanno confrontata con la soluzione di fondazione elastica continua, correggendo i coefficienti di fondazione per la trave di fondazione elastica Winkler. Vorster et al.4 hanno fornito una soluzione elastica continua e ne hanno verificato la fattibilità con test su modello centrifugo. Shi et al.5 hanno fornito una soluzione per la deformazione continua della tubazione basata su un modello di fondazione Pasternak a due parametri utilizzando il metodo variazionale dell'energia. Yang et al.6 hanno risolto il problema della deformazione della condotta utilizzando il metodo della variazione dell'energia, partendo dal presupposto che sia gli spostamenti del greenfield che gli assestamenti della condotta siano conformi ad una distribuzione gaussiana. Fu et al.7 hanno considerato il fenomeno della separazione della condotta dal terreno e hanno utilizzato un modello di fondazione Parsternak a due parametri per fornire una soluzione per la deformazione della condotta causata dallo scavo del tunnel. Gli studi di cui sopra sugli effetti dello scavo del tunnel sulla condotta sovrastante sono stati per lo più condotti presupponendo che la condotta sia omogenea e continua, ad esempio tubazioni con giunti saldati, non possano tenere conto della rotazione ammissibile dei giunti della condotta.