Estudo sobre modo de drenagem e anti

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5354 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

Com um aumento na construção e retenção de túneis, os sistemas tradicionais de impermeabilização e drenagem têm sido incapazes de atender às necessidades de túneis em áreas de chuva intensa, e desastres como rachaduras no revestimento de túneis, vazamentos e até colapsos ocorrem com frequência. A fim de garantir a segurança na operação e manutenção de túneis, este trabalho analisa as características do sistema tradicional de impermeabilização e drenagem e propõe uma nova estrutura de drenagem por meio de simulação numérica e testes internos. Esta estrutura remove o tubo cego de drenagem circular e adiciona uma placa de drenagem de concha convexa entre a placa impermeável e o revestimento secundário. A pesquisa mostra que o novo sistema de drenagem diminui muito a pressão da água na área facilmente bloqueada da estrutura de drenagem. Com o modelo especial de descarga de superfície, a pressão de água externa do revestimento longe da área bloqueada pode cair rapidamente para o nível normal. Além disso, a capacidade de drenagem de diferentes placas impermeáveis ​​e de drenagem é diferente. Com o aumento da pressão de suporte, a capacidade de drenagem diminui; o geotêxtil diminui mais, seguido da placa de drenagem capilar e depois a placa de drenagem de casca convexa. Ao mesmo tempo, após o teste de drenagem de água lamacenta dos três materiais, descobriu-se que a placa de drenagem do tipo concha convexa tem o melhor desempenho anti-lodo. A pesquisa neste artigo fornece uma tentativa benéfica para o projeto de estrutura de impermeabilização e drenagem de um túnel cárstico rico em água e fornece uma garantia para a operação e manutenção segura do túnel.

Com a construção de mais e mais túneis cársticos, o problema de vazamento de túneis tornou-se um grande problema para inúmeros construtores de túneis. O vazamento de água do túnel causará corrosão do revestimento, corrosão de trilhos e peças, ebulição da lama do leito do túnel e outros fenômenos; estes pioram o ambiente operacional do túnel e põem em perigo a durabilidade da estrutura do túnel. Exemplos disso são o Túnel Gaotian da Ferrovia Guiyang-Guangzhou, o Túnel Hongqiao da Ferrovia Wuhan-Guangzhou e o pequeno túnel de montanha da Ferrovia Xangai-Kunming. A deformação do arco invertido e os danos causados ​​pela alta pressão da água ocorreram na Ferrovia Kunming-Nanjiang e em outros lugares, resultando em graves perdas econômicas. Seja no processo de construção ou operação, o tratamento das águas subterrâneas dos túneis é uma das questões mais importantes para a segurança estrutural em áreas cársticas. Um grande número de estudiosos realizou pesquisas relevantes sobre esta questão.

Em termos de cálculos teóricos, obteve-se a distribuição do campo de vazamento em um túnel de alta queda profundamente enterrado usando o método analítico1. Com base na solução clássica de Harr de um túnel sem revestimento, combinada com o ambiente hidrológico real (considerando a rocha circundante, o anel de rejuntamento e o revestimento como um sistema completo), a equação da pressão da água no campo de infiltração foi derivada2. Comparou várias soluções analíticas e numéricas e comprovou a confiabilidade da solução analítica3. Propôs um método de análise semi-teórico para calcular a infiltração4. Por meio de análise teórica, testes internos e medições de campo, foi proposta a forma estrutural e o esquema de drenagem controlável adequado para um túnel de alto nível de água5. Estabeleceu um modelo em escala e os resultados mostraram que o método PWW pode reduzir a pressão da água e a deformação do revestimento sob a condição de drenagem enquanto, sob a condição de drenagem livre, a deformação do revestimento usando o método PWW pode ser reduzida em cerca de 30%6, 7. Um modelo numérico tridimensional foi estabelecido e descobriu-se que a pressão da água na abóbada do túnel era baixa e a pressão da água do arco invertido era alta. Para túneis cársticos ricos em água, o centro do arco invertido foi fácil de quebrar quando usado o modo semi-envolvente e semi-drenante7. Estudou a lei de evolução da pressão da água do revestimento sob a ação da pressão dinâmica da água, propôs um esquema de drenagem otimizado para reduzir a pressão da água do arco invertido e analisou o efeito da prevenção e drenagem da água8. Tomando o Túnel Gongbei como exemplo, uma solução analítica foi proposta para calcular a tensão efetiva causada pela infiltração ao redor de um túnel de águas rasas em um semiplano elástico. A alta pressão de água acumulada atrás do revestimento é a principal causa de desastres de pressão de água. A fim de determinar a distribuição da pressão da água atrás do revestimento9, deduziu-se a fórmula analítica da pressão da água do revestimento do reboco da rocha circundante e a relação entre a pressão da água do revestimento e o coeficiente de permeabilidade usando o método de análise axissimétrica10,11. Com base no método de transformação conforme, derivou a fórmula de cálculo da pressão da água em um revestimento de túnel circular sob um estado de infiltração estável12,13,14. Estabeleceu a solução analítica de afluência de água para a infiltração estável de um túnel circular sob um coeficiente de permeabilidade isotrópica. Em termos de materiais15, estudou o desempenho à prova d'água de juntas de borracha de quatro aspectos16. Afirmou que a Suíça, a Áustria e outros países usam polietileno e cloreto de polivinila como materiais impermeáveis ​​e são amplamente utilizados17. Desenvolveu materiais compostos impermeáveis ​​e drenantes18,19. Introduziu um novo tipo de material impermeabilizante líquido (do tipo cristalino permeável à base de água) e analisou as diferenças entre a combinação deste material com o concreto projetado e o concreto de cofragem, sob uma perspectiva microscópica. A impermeabilização de cascas capilares e convexas e placas de drenagem são materiais de drenagem relativamente novos20. Estudou a influência da placa de drenagem capilar na capacidade de drenagem do solo arenoso, realizando testes de drenagem interna e estabelecendo um ângulo para estudar seu desempenho anti-assoreamento. Os resultados mostram que a faixa de valores do ângulo do cinturão de drenagem capilar situada no subleito, talude e outras estruturas é recomendada como 10°–15°21. Conduziu testes de durabilidade e resistência à pressão da água em cinco waterstops diferentes e os aplicou no sistema impermeável do Túnel Gongbei. Em termos de otimização estrutural22, propôs um conceito de projeto de impermeabilização e drenagem adequado para o Túnel Leste de Tianshan: a tecnologia de construção de "um bloco, duas drenagens e três prevenções"23. Propôs um sistema composto de impermeabilização e drenagem (CWDS). Os resultados da pesquisa mostraram que, no caso de bloqueio de tubo cego, a pressão da água do sistema de drenagem tradicional em um túnel aumenta rapidamente, enquanto o túnel CWDS pode efetivamente drenar e reduzir a pressão24. Propôs as medidas de otimização tripla da estrutura e os resultados da pesquisa desempenharão um importante papel orientador no projeto, construção e manutenção dos sistemas de drenagem de túneis rodoviários na China25. Desenvolveu um modelo de infiltração de drenagem composto por tubos de drenagem, membranas impermeáveis ​​e geotêxteis. Este estudo é útil para o projeto ideal de sistemas de impermeabilização e drenagem de túneis, como estimar a permeabilidade e espessura inicial do revestimento, a distância entre tubos circulares de drenagem e a condutividade hidráulica dos geotêxteis26. Através de simulação numérica e teste de modelo, três esquemas otimizados de impermeabilização e drenagem foram estudados, os resultados mostraram que, quando esquemas convencionais de impermeabilização e drenagem são adotados para túneis cársticos ricos em água, o sistema de drenagem não pode reduzir efetivamente a pressão da água no arco invertido de o tunel. Quando foi adicionado um tubo de drenagem cego longitudinal na parte inferior do arco invertido, a taxa de redução chegou a 84% e quando a vala de drenagem central foi colocada na parte inferior do arco invertido, aumentou para 96%27. Propôs um novo conceito para um sistema de drenagem e redução de pressão no fundo de um túnel ferroviário, que pode descarregar com eficiência a água acumulada no fundo do túnel e atingir o objetivo de reduzir a pressão da água28. Estudou a distribuição da pressão da água atrás do forro sob diferentes formas de impermeabilização e drenagem e apresentou o plano de layout ideal da placa impermeável29. Propôs um novo conceito para controlar ativamente o projeto de impermeabilização e drenagem, ajustando a resistência e a permeabilidade da rocha circundante, anel de reforço e estrutura de suporte inicial. A fim de reduzir ativa e razoavelmente a pressão da água do túnel30, foi proposto um sistema de drenagem especialmente projetado com anti-bloqueio e liberação automática da pressão da água31.