Studio sulle modalità di drenaggio e anti

Jul 19, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5354 (2023) Citare questo articolo

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Con l’aumento della costruzione e del mantenimento dei tunnel, i tradizionali sistemi di impermeabilizzazione e drenaggio non sono stati in grado di soddisfare le esigenze dei tunnel nelle aree con forti precipitazioni e disastri come crepe nel rivestimento dei tunnel, perdite e persino crolli si verificano frequentemente. Al fine di garantire il funzionamento e la manutenzione in sicurezza delle gallerie, questo documento analizza le caratteristiche del tradizionale sistema di impermeabilizzazione e drenaggio e propone una nuova struttura di drenaggio attraverso simulazioni numeriche e test indoor. Questa struttura rimuove il tubo cieco di drenaggio circolare e aggiunge una piastra di drenaggio a guscio convesso tra il pannello impermeabile e il rivestimento secondario. La ricerca mostra che il nuovo sistema di drenaggio riduce notevolmente la pressione dell'acqua nell'area facilmente ostruibile della struttura di drenaggio. Con lo speciale modello di scarico superficiale, la pressione esterna dell'acqua del rivestimento lontano dall'area bloccata può tornare rapidamente al livello normale. Inoltre, la capacità di drenaggio dei diversi pannelli impermeabili e drenanti è diversa. All'aumentare della pressione di sostegno diminuisce la capacità di drenaggio; il geotessile diminuisce maggiormente, seguito dal pannello drenante capillare e poi dal pannello drenante a guscio convesso. Allo stesso tempo, dopo il test di drenaggio dell'acqua fangosa dei tre materiali, si è riscontrato che la piastra di drenaggio a guscio convesso ha le migliori prestazioni anti-fango. La ricerca contenuta in questo articolo fornisce un tentativo vantaggioso per la progettazione della struttura di impermeabilizzazione e drenaggio di un tunnel carsico ricco d'acqua e fornisce una garanzia per il funzionamento sicuro e la manutenzione del tunnel.

Con la costruzione di sempre più tunnel carsici, il problema delle perdite dei tunnel è diventato un grosso problema per innumerevoli costruttori di tunnel. La perdita d'acqua del tunnel causerà corrosione del rivestimento, corrosione dei binari e delle parti, ebollizione del fango del letto del tunnel e altri fenomeni; questi peggiorano l'ambiente operativo del tunnel e mettono in pericolo la durabilità della struttura del tunnel. Esempi di ciò sono il tunnel Gaotiano della ferrovia Guiyang-Guangzhou, il tunnel Hongqiao della ferrovia Wuhan-Guangzhou e il piccolo tunnel di montagna della ferrovia Shanghai-Kunming. Sulla ferrovia Kunming-Nanjiang e in altri luoghi si sono verificati danni e deformazioni dell'arco invertito causati dall'alta pressione dell'acqua, con gravi perdite economiche. Sia che si consideri il processo di costruzione o di esercizio, il trattamento delle acque sotterranee dei tunnel è una delle questioni più importanti per la sicurezza strutturale nelle aree carsiche. Numerosi studiosi hanno condotto ricerche pertinenti su questo tema.

In termini di calcoli teorici, è stata ottenuta la distribuzione del campo di dispersione in un tunnel ad alto salto profondamente sepolto utilizzando il metodo analitico1. Basandosi sulla soluzione classica di Harr di un tunnel non rivestito, combinata con l'ambiente idrologico reale (prendendo la roccia circostante, l'anello di iniezione e il rivestimento come un sistema completo), è stata derivata l'equazione della pressione dell'acqua del campo di infiltrazione2. Confrontato varie soluzioni analitiche e numeriche e dimostrato l'affidabilità della soluzione analitica3. Proposto un metodo di analisi semi-teorico per il calcolo delle infiltrazioni4. Attraverso analisi teoriche, test interni e misurazioni sul campo, sono stati proposti la forma strutturale e lo schema di drenaggio controllabile adatti per un tunnel ad alto livello dell'acqua5. È stato creato un modello in scala e i risultati hanno mostrato che il metodo PWW può ridurre la pressione dell’acqua e la deformazione del rivestimento in condizioni di drenaggio mentre, in condizioni di drenaggio libero, la deformazione del rivestimento utilizzando il metodo PWW può essere ridotta di circa il 30%6, 7. È stato stabilito un modello numerico tridimensionale e si è constatato che la pressione dell'acqua nella volta del tunnel era bassa e la pressione dell'acqua nell'arco rovescio era alta. Per i tunnel carsici ricchi d'acqua, il centro dell'arco rovescio era facile da rompere quando si utilizzava la modalità semi-avvolgente e semi-drenante7. Ha studiato la legge di evoluzione della pressione dell'acqua nel rivestimento sotto l'azione della pressione dinamica dell'acqua, ha proposto uno schema di drenaggio ottimizzato per ridurre la pressione dell'acqua ad arco rovescio e ha analizzato l'effetto della prevenzione e del drenaggio dell'acqua8. Prendendo come esempio il Tunnel Gongbei, è stata proposta una soluzione analitica per calcolare la sollecitazione effettiva causata dalle infiltrazioni attorno ad un tunnel in acque poco profonde in un semipiano elastico. L'elevata pressione dell'acqua accumulata dietro il rivestimento è la causa principale dei disastri dovuti alla pressione dell'acqua. Per determinare la distribuzione della pressione dell'acqua dietro il rivestimento9, è stata dedotta la formula analitica della pressione dell'acqua del rivestimento della roccia circostante e la relazione tra la pressione dell'acqua del rivestimento e il coefficiente di permeabilità utilizzando il metodo di analisi assialsimmetrica10,11. Sulla base del metodo della trasformazione conforme, è stata derivata la formula di calcolo della pressione dell'acqua sul rivestimento di una galleria circolare in condizioni di infiltrazione stazionaria12,13,14. Stabilita la soluzione analitica dell'afflusso di acqua per l'infiltrazione stabile di un tunnel circolare con un coefficiente di permeabilità isotropico. In termini di materiali15, ha studiato le prestazioni di impermeabilità delle guarnizioni in gomma da quattro aspetti16. Ha affermato che Svizzera, Austria e altri paesi utilizzano il polietilene e il cloruro di polivinile come materiali impermeabili e sono ampiamente utilizzati17. Sviluppato materiali compositi impermeabili e drenanti18,19. È stato introdotto un nuovo tipo di materiale impermeabilizzante liquido (un tipo cristallino permeabile a base d'acqua) e sono state analizzate le differenze tra la combinazione di questo materiale e il calcestruzzo proiettato e il calcestruzzo per casseforme, da una prospettiva microscopica. I pannelli impermeabilizzanti e drenanti a guscio capillare e convesso sono materiali di drenaggio relativamente nuovi20. Ha studiato l'influenza del pannello di drenaggio capillare sulla capacità di drenaggio del terreno sabbioso conducendo test di drenaggio interno e impostando un angolo per studiarne le prestazioni anti-insabbiamento. I risultati mostrano che si consiglia che l'intervallo di valori dell'angolo della cintura di drenaggio capillare che giace sul sottofondo, sul pendio e su altre strutture sia 10°–15°21. Ho condotto test di resistenza alla pressione dell'acqua e di durabilità su cinque diversi waterstop e li ho applicati al sistema impermeabile del tunnel Gongbei. In termini di ottimizzazione strutturale22, ha proposto un concetto di progettazione impermeabile e drenante adatto per il tunnel di Tianshan Est: la tecnologia di costruzione di "un blocco, due drenaggi e tre prevenzione"23. Proposto un sistema composito impermeabile e drenante (CWDS). I risultati della ricerca hanno dimostrato che, in caso di intasamento del tubo cieco, la pressione dell'acqua del sistema di drenaggio tradizionale in un tunnel aumenta rapidamente, mentre il tunnel CWDS può drenare e ridurre efficacemente la pressione24. Le triple misure di ottimizzazione della struttura proposte e i risultati della ricerca svolgeranno un importante ruolo guida nella progettazione, costruzione e manutenzione dei sistemi di drenaggio dei tunnel autostradali in Cina25. Sviluppato un modello di infiltrazione del drenaggio comprendente tubi di drenaggio, membrane impermeabili e geotessili. Questo studio è utile per la progettazione ottimale dei sistemi di impermeabilizzazione e drenaggio delle gallerie, come la stima della permeabilità e dello spessore del rivestimento iniziale, la distanza tra i tubi circolari di drenaggio e la conduttività idraulica dei geotessili26. Attraverso simulazioni numeriche e test su modelli, sono stati studiati tre schemi di impermeabilizzazione e drenaggio ottimizzati, i risultati hanno mostrato che, quando vengono adottati schemi convenzionali di impermeabilizzazione e drenaggio per tunnel carsici ricchi d'acqua, il sistema di drenaggio non può ridurre efficacemente la pressione dell'acqua all'arco rovescio di la galleria. Quando è stato aggiunto un tubo di drenaggio cieco longitudinale alla base dell'arco rovescio, il tasso di riduzione ha raggiunto l'84% e quando il canale di drenaggio centrale è stato posizionato alla base dell'arco rovescio, è aumentato al 96%27. Proposto un nuovo concetto per un sistema di drenaggio e riduzione della pressione sul fondo di un tunnel ferroviario, in grado di scaricare in modo efficiente l'acqua accumulata sul fondo del tunnel e raggiungere l'obiettivo di ridurre la pressione dell'acqua28. Ha studiato la distribuzione della pressione dell'acqua dietro il rivestimento sotto diverse forme di impermeabilizzazione e drenaggio e ha proposto il piano di disposizione ottimale del pannello impermeabile29. Proposto un nuovo concetto per controllare attivamente la progettazione dell'impermeabilizzazione e del drenaggio regolando la resistenza e la permeabilità della roccia circostante, dell'anello di rinforzo e della struttura di supporto iniziale. Al fine di ridurre attivamente e ragionevolmente la pressione dell'acqua nel tunnel30, è stato proposto un sistema di drenaggio appositamente progettato con antibloccaggio e rilascio automatico della pressione dell'acqua31.