Analisi FEM di nuovi tre

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10850 (2023) Citare questo articolo

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Per le aree ricche d'acqua, gli archi in elevazione dei tunnel sotto l'elevata pressione dell'acqua spesso causano fessurazioni e perdite dell'arco in elevazione, rigonfiamenti e altri guasti. Quando il sistema di drenaggio non è progettato adeguatamente, questi guasti si verificano più frequentemente e il drenaggio convenzionale delle gallerie stradali non è in grado di ridurre efficacemente la pressione dell’acqua in corrispondenza dell’arco di elevazione. Pertanto, questo articolo propone un nuovo concetto di "drenaggio a tre vie". Il sistema di drenaggio a tre vie si basa su un sistema di drenaggio convenzionale con un nuovo ingresso di drenaggio in corrispondenza dell'arco di elevazione. Su questa base vengono condotti una serie di studi di simulazione numerica per verificare le prestazioni di riduzione della pressione del sistema di drenaggio a tre vie sul rivestimento. Dopo la dimostrazione e l'analisi, il concetto di drenaggio a tre vie può non solo ridurre efficacemente la pressione dell'acqua sull'arco di elevazione del tunnel, ma anche avere un effetto significativo sull'effetto di drenaggio complessivo del tunnel. I fattori che influenzano le prestazioni del sistema di drenaggio a tre vie vengono valutati variando i parametri del modello. Si è scoperto che il coefficiente di conduzione idraulica della roccia circostante e del supporto iniziale, il numero di fori di deviazione inversa nell'arco di elevazione, la variazione dell'altezza della testata e la variazione dei parametri del rivestimento secondario hanno tutti un effetto significativo sulla pressione dell'acqua all'esterno. la galleria.

Lo sviluppo economico di un Paese è inevitabilmente legato alla costruzione di strade, ferrovie e altre infrastrutture. Negli ultimi anni la Cina ha ottenuto notevoli risultati nella costruzione di tunnel. Ad esempio, alla fine del 2020, il chilometraggio stradale totale della Cina ha raggiunto 5.198.100 km, con un aumento di 185.600 km rispetto al 2019, e i tunnel stradali cinesi hanno raggiunto l’enorme cifra di 21.316 km e una distanza totale di 21.999.300 metri lineari. Durante la costruzione delle gallerie stradali si sono verificati diversi incidenti di guasto. Tra questi problemi, la fessurazione dei rivestimenti delle gallerie stradali causata dall'elevata pressione dell'acqua è diventata un fattore serio che incide sulla sicurezza delle gallerie e ha attirato anche l'attenzione dell'industria1,2. I tipi di rottura del rivestimento del tunnel comprendono la rottura della parete dell'arco, l'iniezione di acqua ad alta pressione e il rigonfiamento dell'arco in elevazione3,4,5,6. Il fondo stradale rigonfio di una galleria stradale non solo compromette gravemente la vita utile della galleria, ma rappresenta anche un pericolo per la sicurezza del traffico. Anche se il rigonfiamento di un arco sopraelevato su un'autostrada non è evidente, può comunque causare un terribile incidente stradale per i veicoli che viaggiano ad alta velocità7,8. Il rigonfiamento dell'arco in elevazione del tunnel potrebbe non essere dovuto esclusivamente all'elevata sollecitazione del terreno causata dall'elevata pressione dell'acqua; Se il drenaggio della stagione delle piene in un tunnel non è tempestivo, l'elevata pressione dell'acqua concentrata nell'arco di prospetto può portare all'assorbimento e all'espansione della roccia, che può ammorbidire la roccia e portare al rigonfiamento dell'arco di prospetto del tunnel. Pertanto, è fondamentale risolvere in modo economico ed efficace problemi come l’elevata pressione dell’acqua che causa danni alla struttura del rivestimento di un tunnel. Attualmente esistono molti modi per ridurre i danni al rivestimento, tra cui un sistema di drenaggio efficace ed efficiente è attualmente il modo principale per ridurre la pressione su una galleria9.

Attualmente, esistono due principali strategie di impermeabilizzazione e drenaggio dei tunnel autostradali: un modello completamente chiuso che non consente alle acque sotterranee di fluire nel tunnel e un modello di drenaggio che consente alle acque sotterranee di fluire nel tunnel. Il modello completamente chiuso viene spesso utilizzato per luoghi speciali come aree di protezione dell'ambiente naturale e luoghi in cui sono presenti importanti edifici sul terreno che non possono essere drenati dal tunnel per lungo tempo, causando cedimenti. In generale, i requisiti di resistenza della struttura del rivestimento e dello strato impermeabile sono elevati. Pertanto, per le aree protette non naturali, vengono generalmente utilizzati sistemi di drenaggio per ridurre la pressione dell'acqua esterna sul rivestimento del tunnel. Studiosi in patria e all'estero stanno attualmente studiando come l'elevata pressione dell'acqua influisce sulle caratteristiche di stress strutturale dei rivestimenti delle gallerie attraverso una serie di analisi teoriche, prove su modelli, prove sul campo e simulazioni numeriche10,11,12,13,14,15. Teoricamente, la distribuzione spaziale della pressione dell'acqua interstiziale nei tunnel urbani in aree ricche d'acqua è stata studiata sulla base di Harr ed è stata derivata un'equazione della pressione dell'acqua per il campo di infiltrazione16. L'analisi delle variabili complesse è stata utilizzata per analizzare la distribuzione delle tensioni nei tunnel sottomarini elastici a semipiano17. È stato proposto un approccio semianalitico all'afflusso dell'acqua nei tunnel18. Sono state proposte una forma strutturale adatta per tunnel ad alto livello dell'acqua e la forma strutturale di uno schema di drenaggio controllato, ed è stata studiata la distribuzione della pressione dell'acqua nel rivestimento del tunnel mediante analisi teoriche, test interni e misurazioni sul campo19. È stato sviluppato un quadro di valutazione basato su un modello idrologico accoppiato a livello regionale per studiare gli effetti del drenaggio del tunnel sulla vegetazione circostante20,21,22,23. Tuttavia, gli attuali risultati della ricerca sulla prevenzione del drenaggio dei tunnel hanno coinvolto metodi di drenaggio convenzionali. Sebbene ciò abbia un effetto significativo sulla riduzione della pressione dell'acqua all'esterno del rivestimento rispetto alla chiusura completa, ha un effetto significativo di riduzione della pressione solo sulla pressione attorno alla parete dell'arco del tunnel. Dal punto di vista dei materiali, sono state condotte prove di permeabilità nel piano dei filtri geotessili drenati per valutare il loro meccanismo di deterioramento idraulico nelle gallerie24,25. Una miscela ottimale di malta espansa leggera per favorire il drenaggio del tunnel è stata esaminata utilizzando il metodo del rivestimento composito26. Sono stati progettati materiali impermeabili e traspiranti basati su nanofibre elettrofilate27. In termini di struttura, mediante simulazione numerica e test interni28 è stata proposta una nuova struttura di drenaggio contenente lastre di drenaggio dello scafo convesse. È stato costruito un sistema di drenaggio del tunnel mediante la tecnologia di stampa 3D ed è stato eseguito un test di simulazione del blocco del sistema di drenaggio29. Sono stati proposti tre schemi di ottimizzazione dell'impermeabilizzazione e del drenaggio, in cui il posizionamento di uno scarico centrale sul fondo di un arco rovescio ha avuto l'impatto maggiore sulla riduzione della pressione dell'acqua del 96%9. È stato proposto un metodo di drenaggio dei tunnel ferroviari dal basso verso l'alto con riduzione della pressione30. È stata proposta una nuova rete di drenaggio per risolvere il problema del drenaggio dei tunnel di montagna che attraversano zone di frattura ad alto LWP31. Hanno studiato e analizzato i requisiti di impermeabilità e le misure di costruzione di diversi tunnel speciali in Cina32,33,34. Gli studi di cui sopra hanno esplorato il problema della pressione dell'acqua nel tunnel e hanno utilizzato varie soluzioni (incluso il calcolo della pressione dell'acqua esterna, l'ottimizzazione dei sistemi di impermeabilizzazione e drenaggio del tunnel, nuove tecnologie e materiali, ecc.) ma non hanno considerato come mitigare efficacemente l'impatto della pressione dell'acqua sul la struttura di rivestimento in corrispondenza dell'arco di prospetto del tunnel. Allo stesso tempo, sono state analizzate le cause dell'aumento della pressione dell'acqua all'esterno del tunnel, ma nessuna di queste ha considerato come ridurre efficacemente l'impatto della pressione dell'acqua in corrispondenza dell'arco di prospetto del tunnel sulla struttura del rivestimento.