МКЭ-анализ новой тройки

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10850 (2023) Цитировать эту статью

156 Доступов

Подробности о метриках

В богатых водой районах подъемные арки туннелей под высоким давлением воды часто вызывают растрескивание и протечки подъемных дуг, вздутие и другие неисправности. Когда дренажная система спроектирована неправильно, эти неисправности происходят чаще, и обычный дренаж автодорожных тоннелей не может эффективно снизить давление воды на возвышении. Поэтому в данной статье предлагается новая концепция «трехходового дренажа». Трехходовая дренажная система основана на традиционной дренажной системе с новым дренажным входом на возвышении. На этой основе проводится серия исследований численного моделирования для проверки эффективности снижения давления трехходовой дренажной системы на крепи. После демонстрации и анализа концепция трехходового дренажа может не только эффективно снизить давление воды на подъемной арке туннеля, но также оказать существенное влияние на общий дренажный эффект туннеля. Факторы, влияющие на работу трехходовой дренажной системы, оценены путем варьирования параметров модели. Установлено, что существенное влияние на давление воды снаружи оказывают коэффициент гидропроводности окружающей породы и исходной крепи, количество обратных отводящих скважин в своде возвышения, изменение высоты оголовка, изменение параметров вторичной крепи. туннель.

Экономическое развитие страны неизбежно связано со строительством автомобильных, железных дорог и другой инфраструктуры. За последние годы Китай добился замечательных успехов в строительстве туннелей. Например, к концу 2020 года общий пробег дорог Китая достиг 5 198 100 км, что на 185 600 км больше, чем в 2019 году, а длина автомобильных туннелей Китая достигла колоссальных 21 316 км и общей протяженности 21 999 300 погонных метров. При строительстве автодорожных тоннелей произошло несколько аварий. Среди этих проблем растрескивание облицовки автодорожных туннелей, вызванное высоким давлением воды, стало серьезным фактором, влияющим на безопасность туннелей, а также привлекло внимание отрасли1,2. Типы трещин в облицовке туннеля включают растрескивание стенок арки, нагнетание воды под высоким давлением и выпучивание арки на возвышении3,4,5,6. Выпуклое полотно автодорожного туннеля не только серьезно повлияет на срок службы туннеля, но и создаст угрозу безопасности дорожного движения. Даже если повышенная выпуклость арки на шоссе не очевидна, она все равно может стать причиной серьезного дорожно-транспортного происшествия для транспортных средств, движущихся на высокой скорости7,8. Выпуклость арки возвышения туннеля может быть вызвана не только сильным напряжением грунта, вызванным высоким давлением воды; Если дренаж туннеля во время паводка не будет своевременным, высокое давление воды, сконцентрированное в своде возвышения, может привести к поглощению и расширению породы, что может размягчить породу и привести к вздутию свода возвышения туннеля. Поэтому крайне важно экономично и эффективно решать такие проблемы, как высокое давление воды, вызывающее повреждение конструкции облицовки туннеля. В настоящее время существует множество способов уменьшения повреждения обделки, среди которых эффективная и действенная дренажная система в настоящее время является основным способом снижения давления на тоннель9.

В настоящее время существуют две основные стратегии гидроизоляции и дренажа автомобильных туннелей: полностью закрытая модель, которая не позволяет грунтовым водам течь в туннель, и модель дренажа, которая позволяет грунтовым водам течь в туннель. Полностью закрытая модель часто используется в особых местах, таких как зоны охраны окружающей среды и места, где на земле расположены важные здания, которые в течение длительного времени не могут быть осушены туннелем, что приводит к их проседанию. Как правило, требования к прочности облицовочной конструкции и водонепроницаемого слоя высоки. Поэтому на неестественных охраняемых территориях обычно используются дренажные системы для снижения внешнего давления воды на обделку туннеля. Ученые в стране и за рубежом в настоящее время изучают, как высокое давление воды влияет на характеристики структурного напряжения облицовки туннелей посредством серии теоретического анализа, модельных испытаний, полевых испытаний и численного моделирования10,11,12,13,14,15. Теоретически на основе Харра было изучено пространственное распределение порового давления воды в городских тоннелях в богатых водой районах и получено уравнение давления воды для поля просачивания16. Анализ комплексных переменных использовался для анализа распределения напряжений в упругих полуплоских подводных туннелях17. Был предложен полуаналитический подход к туннельному водопритоку18. Была предложена структурная форма, подходящая для туннелей с высоким уровнем воды, и структурная форма схемы контролируемого дренажа, а распределение давления воды в обделке туннеля было изучено путем теоретического анализа, испытаний в помещении и полевых измерений19. Система оценки, основанная на регионально связанной гидрологической модели, была разработана для изучения воздействия туннельного дренажа на окружающую растительность20,21,22,23. Однако текущие результаты исследований по предотвращению дренажа туннелей связаны с традиционными методами дренажа. Хотя это оказывает значительное влияние на снижение давления воды за пределами обделки по сравнению с полным закрытием, оно оказывает существенное влияние только на снижение давления вокруг стенки арки туннеля. Что касается материалов, были проведены испытания на проницаемость дренированных геотекстильных фильтров в плоскости для оценки механизма их гидравлического разрушения в туннелях24,25. Оптимальная легкая пенопластовая растворная смесь для улучшения дренажа тоннелей была исследована с использованием метода композитной футеровки26. На основе электропряденых нановолокон были разработаны водонепроницаемые и дышащие материалы27. Что касается конструкции, новая дренажная конструкция, содержащая выпуклые дренажные плиты корпуса, была предложена путем численного моделирования и испытаний в помещении28. С помощью технологии 3D-печати была построена туннельная дренажная система и проведено симуляционное испытание на засорение дренажной системы29. Были предложены три схемы оптимизации гидроизоляции и дренажа, в которых размещение центрального дренажа в нижней части инверта оказало наибольшее влияние на снижение давления воды на 96%9. Предложен метод дренажа железнодорожных тоннелей «снизу вверх» со снижением давления30. Была предложена новая дренажная сеть для решения проблемы дренажа горных туннелей, пересекающих зоны разломов с высоким уровнем LWP31. Они изучили и проанализировали требования к водонепроницаемости и меры по строительству различных специальных туннелей в Китае32,33,34. Вышеупомянутые исследования изучали проблему давления воды в туннелях и использовали различные решения (включая расчет внешнего давления воды, оптимизацию гидроизоляционных и дренажных систем туннелей, новые технологии и материалы и т. д.), но не рассматривали способы эффективного смягчения воздействия давления воды на конструкция обделки арки фасада тоннеля. При этом были проанализированы причины повышения давления воды за пределами тоннеля, но ни одна из них не рассмотрела, как эффективно снизить воздействие давления воды на своде возвышения тоннеля на конструкцию обделки.