考虑界面脱空和土体屈服的盾构下穿管线响应计算

林存刚; 王忠杰; 赵辰洋; 陈瑜; 梁禹; 黄林冲; 丁智

doi:10.11779/CJGE20230688

考虑界面脱空和土体屈服的盾构下穿管线响应计算 English Version

林存刚^{1, 2, 3, 4, 5, 6,},
王忠杰^{1, 2, 3, 4, 5},
赵辰洋^{1, 2, 3, 4, 5},
陈瑜^{1, 2, 3, 4, 5, ,},
梁禹^{1, 2, 3, 4, 5},
黄林冲^{1, 2, 3, 4, 5},
丁智⁶

1.
中山大学土木工程学院, 广东广州 510275
2.
隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室, 广东广州 510275
3.
广东省地下空间开发工程技术研究中心, 广东广州 510275
4.
南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东珠海 519082
5.
广东省海洋土木工程重点实验室, 广东广州 510275
6.
浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室, 浙江杭州 310015

基金项目:

广东省基础与应用基础研究基金项目 2023A1515030243

广东省基础与应用基础研究基金项目 2023A1515011634

珠海市基础与应用基础课题研究项目 ZH22017003210005PWC

广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目 2021ZT09G087

国家自然科学基金面上项目 52174101

国家自然科学基金面上项目 52208380

浙江省城市盾构隧道安全建造与智能养护重点实验室开放基金项目 ZUCC-UST-22-03

详细信息

作者简介:
林存刚(1986—)，男，山东临沂人，博士，副教授，主要从事盾构隧道环境效应、土与结构相互作用及地基渗蚀塌陷防控研究。E-mail：lincg@mail.sysu.edu.cn

通讯作者:
陈瑜, E-mail: chenyu68@mail.sysu.edu.cn

中图分类号: TU411
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出版历程
- 收稿日期: 2023-07-22
- 网络出版日期: 2024-03-24
- 刊出日期: 2024-09-30

Estimation of pipeline responses induced by shield tunnelling considering gap formation and soil yielding

LIN Cungang^{1, 2, 3, 4, 5, 6,},
WANG Zhongjie^{1, 2, 3, 4, 5},
ZHAO Chenyang^{1, 2, 3, 4, 5},
CHEN Yu^{1, 2, 3, 4, 5, ,},
LIANG Yu^{1, 2, 3, 4, 5},
HUANG Linchong^{1, 2, 3, 4, 5},
DING Zhi⁶

1.
School of Civil Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China
2.
State Key Laboratory for Tunnel Engineering, Guangzhou 510275, China
3.
Guangdong Research Center for Underground Space Exploitation Technology, Guangzhou 510275, China
4.
Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, China
5.
Guangdong Key Laboratory of Marine Civil Engineering, Guangzhou 510275, China
6.
Key Laboratory of Safe Construction and Intelligent Maintenance for Urban Shield Tunnels of Zhejiang Province, Hangzhou 310015, China

摘要

摘要: 大量试验证实盾构隧道开挖可引起管线与土体界面脱空和土体屈服现象。基于无拉力Winkler地基及管线地基承载力理论，将界面脱空和土体屈服判据条件引入管土线弹性相互作用分析；由此推导了考虑界面脱空和土体屈服影响的管土非线性相互作用计算方法，并与模型试验结果对比验证了其适用性。参数分析发现，界面脱空范围随管线抗弯刚度增大而拓宽；受管土分离和地基屈服影响，管线响应随地层损失呈非线性变化；在土体脱空和屈服范围较大时，其对管线响应影响显著，忽略该效应将导致计算管线挠度和弯矩过于保守。
- 盾构隧道开挖 /
- 管土相互作用 /
- 界面脱空 /
- 土体屈服 /
- 无拉力Winkler地基
Abstract: The extensive tests confirm gap formation and soil yielding at the pipe-soil interface during shield tunnelling. By incorporating the tension-free Winkler foundation model and the theory of pull-out and compressive bearing capacity of pipeline, the criteria for gap formation and soil yielding are introduced into the pipe-soil linear elastic interaction theory. A method for calculating the nonlinear pipe-soil interaction, accounting for gap formation and soil yielding, is derived and validated against the model tests. The parametric studies reveal that interface gap gets wider with the increasing flexural stiffness of pipeline. The pipeline response exhibits nonlinear changes as an increase in the volume loss due to pipe-soil separation and subgrade yielding. When the interface gap and yielding range are large in width, it significantly affects the pipeline response. Ignoring this effect may lead to overly conservative calculations of deflection and bending moments of pipeline.
- shield tunnelling /
- pipe-soil interaction /
- gap formation /
- soil yielding /
- tension-free Winkler foundation

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图 1 管线竖向土压力与地基反力示意

Figure 1. Illustration of vertical force and subgrade reaction force acting on a pipeline

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图 2 考虑界面脱空与地基屈服的管土相互作用计算流程

Figure 2. Flow chart for calculation of pipeline responses considering gap formation and soil yielding

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图 3 地面沉降与管线挠度的实测值与计算值(80g)

Figure 3. Observed and calculated ground settlements and pipe deflections (80g)

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图 4 管线弯矩的实测值与计算值(80g)

Figure 4. Observed and calculated moments of pipeline (80g)

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图 5 管线底部地基反力实测值与计算值(80g)

Figure 5. Observed and calculated subgrade reaction forces acting on pipe bottom (80g)

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图 6 地面沉降与管线挠度的实测值与计算值(60g)

Figure 6. Observed and calculated ground settlements and pipe deflections (60g)

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图 7 管线弯矩的实测值与计算值(60g)

Figure 7. Observed and calculated moments of pipeline (60g)

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图 8 管线最大弯矩及脱空与屈服宽度随E_pI_p变化

Figure 8. Variations of maximum bending moment of pipeline and width of gap and yielding with E_pI_p

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图 9 管线最大应变及脱空与屈服宽度随V_l变化

Figure 9. Variations of maximum strain of pipeline and width of gap and yielding with V_l

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表 1 80g离心机模型试验原型尺寸和物理力学参数^[2]

Table 1 Dimensions and characteristics of prototype (80g)

分类	管线					隧道		土体
分类	L/m	D_p/m	t_p/m	E_p/GPa	z_p/m	R/m	z₀/m	E_s/MPa	v_s	φ/(°)	K₀	$\gamma$ /(kN∙m^-3)
工况A	91.2	1.422	0.0191	210	5.384	3	14.384	39.49	0.3	32	0.43	15.631
工况B	91.2	1.422	0.0191	210	5.168	3	14.168	38.47	0.3	32	0.43	15.582
工况C	91.2	1.626	0.0286	210	5.168	3	14.168	38.47	0.3	32	0.43	15.582
注：t_p为管线壁厚；K₀为静止侧向土压力系数；φ为土体内摩擦角。

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表 2 计算参数取值(80g)

Table 2 Values of parameters used for calculation (80g)

K		V_l/%		k/ (kN∙m^-3)	N_v	N_q	N_r
工况A	工况B 和C	工况A	工况B 和C	k/ (kN∙m^-3)	N_v	N_q	N_r
0.6936	0.4392	7.27	9.67	6230	2.02	33	39
注：①K和V_l取值由各工况实测管线轴线位置自由场沉降经式（5a）拟合所得；②k取值为程霖^[2]试验测得；③N_v，N_q和N_r取值系根据z_p/D_p和φ值参指南^[8]查图确定。

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表 3 60g离心机模型试验原型尺寸和物理力学参数^[9]

Table 3 Dimensions and characteristics of prototype (60g)^[9]

管线						隧道		土体
L/m	D_p/m	t_p/m	E_p/GPa	I_p/(10⁵ m⁴)	z_p/m	R/m	z₀/m	φ/(°)	K₀	$\gamma$ /(kN∙m^-3)
48	1.08	0.06	70	17563	1.74	3	6	31	0.49	14.602

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表 4 计算参数取值(60g)

Table 4 Values of parameters used for calculation (60g)

K				k (kN∙m^-3)	q_u (kN∙m^-1)	q_d (kN∙m^-1)
工况1	工况2	工况3	工况4	k (kN∙m^-3)	q_u (kN∙m^-1)	q_d (kN∙m^-1)
0.5619	0.4719	0.4541	0.4479	17287	36.4	2290

V_l/%
工况1	工况2	工况3	工况4
1.10	1.91	2.71	3.41
注：①K和V_l取值由各工况实测管线轴线位置自由场沉降经式（5a）拟合所得；②K，q_u和q_d取值由文献[9]计算给出。

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