Une nouvelle approche pour évaluer la déformation continue et discontinue des pipelines induite par l'excavation d'un tunnel dans le sol

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12661 (2023) Citer cet article

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La déformation de la canalisation sus-jacente provoquée par le creusement du tunnel dans le sol ne peut être ignorée en cas de faible espacement entre la canalisation et le tunnel. Basé sur la méthode des barres rigides, le modèle d'interaction pipeline-sol a été établi, avec la poutre simplement supportée comme système de base, et les charges agissant sur le pipeline par le sol sont considérées comme étant distribuées linéairement. Des méthodes de calcul des déformations continues et discontinues des pipelines ont été établies. Les résultats calculés par la méthode proposée concordent bien avec les données expérimentales des tests de centrifugation et les données de terrain. Etude paramétrique de l'effet de la perte de volume (η = 1%, 2%,3 %), rigidité en rotation (β0 = 4,47 × 106N⋅m/rad, 4,47 × 108N⋅m/rad, 4,47 × 1010N⋅m/rad ), rapport de la longueur de la section du pipeline au point d'inflexion de la courbe de tassement du sol (L/is = 0,5, 1,0, 1,5, 2,0) et module d'élasticité du sol (E = 10 MPa, 30 MPa, 50 MPa) sur la déflexion et l'angle de rotation du joint de la canalisation discontinue ont été réalisés. Les résultats montrent que : (1) la déviation maximale du pipeline et l'angle de rotation maximal du joint augmentent à mesure que η augmente et diminuent à mesure que β0 augmente ; (2) dans le cas « impair », la déviation maximale du pipeline et l'angle de rotation maximal du joint augmentent d'abord puis diminuent à mesure que L/is augmente, atteignant un pic à L/is = 1,5, tandis que dans le cas « pair » , la déviation maximale du pipeline diminue à mesure que L/is augmente et l'angle de rotation maximal du joint augmente d'abord, puis diminue à mesure que L/is augmente ; (3) dans le cas « impair », la déviation maximale du pipeline et l'angle de rotation maximal du joint diminuent à mesure que E augmente, tandis que la tendance opposée est observée dans le cas « pair ». De plus, la déviation maximale du pipeline et l'angle de rotation maximal du joint sont toujours plus grands dans le cas « impair » que dans le cas « pair ».

L'excavation des tunnels du métro urbain provoque une déformation du sol environnant, qui à son tour provoque des dommages, des fuites et le détachement des interfaces des canalisations dans la couche de sol, et provoque même des cavités de strate ou un effondrement du sol dans les cas graves, menaçant la sécurité et la stabilité de la ville. et la sécurité de la vie et des biens des personnes. Par exemple, le 5 février 2007, un tronçon de construction de la ligne 2 du métro de Nanjing, dans la province du Jiangsu, en Chine, a provoqué la rupture et l'explosion d'un gazoduc enterré, entraînant la perte d'eau, d'électricité et de gaz pour plus de 5 000 habitants. à proximité en raison de l'absence d'enquête préalable sur le gazoduc environnant et de l'absence de travaux d'excavation standards. De plus, le 24 décembre 2014, à la gare de Zongguan à Wuhan, dans la province du Hubei, en Chine, l'excavation du tunnel du bouclier a provoqué l'éclatement local d'une conduite principale d'eau déjà âgée, entraînant des montées d'eau dans la fosse de fondation et le tunnel de la ligne droite. Ainsi, le calcul raisonnable de la valeur de déformation du pipeline sus-jacent lors de l'excavation du tunnel souterrain est devenu l'une des questions les plus préoccupantes dans ce type d'ingénierie, comme le montre la figure 1.

Cas en faveur du creusement de tunnels sur des canalisations existantes : (a) canalisation continue ; (b) pipeline discontinu.

Pour le calcul de la déformation du pipeline sus-jacent causée par l'excavation d'un tunnel, les méthodes courantes pour prédire la déformation du pipeline comprennent l'analyse théorique1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. , simulation numérique16,17 et test sur modèle18,19. Par rapport aux deux autres méthodes, l’analyse théorique présente des avantages significatifs dans l’application pratique en raison de sa simplicité et de sa commodité, c’est pourquoi de nombreux chercheurs ont effectué de nombreuses recherches à ce sujet et obtenu de riches résultats. Par exemple, en 1986, Attewell et al.1 ont utilisé pour la première fois le modèle de fondation Winkler pour explorer l’impact des passages souterrains des tunnels sur les canalisations souterraines existantes. Wang et al.2 ont établi un modèle théorique et analytique de l'interaction pipeline-sol, obtenu la solution analytique de la déformation du pipeline et exploré la loi de l'interaction pipeline-sol. Klar et al.3 ont obtenu une solution analytique pour la poutre de fondation élastique de Winkler pour la déformation du pipeline due à l'excavation d'un tunnel et l'ont comparée à la solution de fondation à continu élastique, en corrigeant les coefficients de fondation de la poutre de fondation élastique de Winkler. Vorster et al.4 ont donné une solution élastique continue et ont vérifié sa faisabilité avec des tests sur modèle centrifuge. Shi et al.5 ont proposé une solution pour la déformation continue des pipelines basée sur un modèle de fondation Pasternak à deux paramètres utilisant la méthode variationnelle d'énergie. Yang et al.6 ont résolu la déformation du pipeline en utilisant la méthode de variation d'énergie en supposant que les déplacements sur site nouveau et les tassements du pipeline sont conformes à une distribution gaussienne. Fu et al.7 ont examiné le phénomène de séparation pipeline-sol et ont utilisé un modèle de fondation de Parsternak à deux paramètres pour proposer une solution à la déformation du pipeline causée par l'excavation du tunnel. Les études ci-dessus sur les effets de l'excavation du tunnel sur la canalisation sus-jacente ont été réalisées pour la plupart en supposant que la canalisation est homogène et continue, par exemple les canalisations à joints soudés ne peuvent pas prendre en compte la rotation admissible des joints de canalisation.