Estudo sobre modo de drenagem e anti

Jul 14, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5354 (2023) Citar este artigo

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Com o aumento na construção e retenção de túneis, os sistemas tradicionais de impermeabilização e drenagem têm sido incapazes de atender às necessidades dos túneis em áreas com chuvas intensas, e desastres como rachaduras no revestimento dos túneis, vazamentos e até mesmo colapsos ocorrem com frequência. A fim de garantir a operação e manutenção segura dos túneis, este artigo analisa as características do sistema tradicional de impermeabilização e drenagem e propõe uma nova estrutura de drenagem através de simulação numérica e testes internos. Esta estrutura remove o tubo cego de drenagem circular e adiciona uma placa de drenagem convexa entre a placa impermeável e o revestimento secundário. A pesquisa mostra que o novo sistema de drenagem diminui bastante a pressão da água na área facilmente obstruída da estrutura de drenagem. Com o modelo especial de descarga superficial, a pressão externa da água do revestimento, longe da área bloqueada, pode cair rapidamente ao 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 é o que mais diminui, seguido pela placa de drenagem capilar e depois pela placa de drenagem de casca convexa. Ao mesmo tempo, após o teste de drenagem de água lamacenta dos três materiais, verifica-se que a placa de drenagem tipo concha convexa tem o melhor desempenho anti-lodo. A pesquisa neste artigo fornece uma tentativa benéfica para o projeto da 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 cada vez 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 dos trilhos e das peças, fervura da lama do leito do túnel e outros fenômenos; estes pioram o ambiente operacional do túnel e colocam em risco 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 locais, 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 conduziu pesquisas relevantes sobre esta questão.

Em termos de cálculos teóricos, obteve-se a distribuição do campo de vazamento em um túnel profundamente enterrado, utilizando o método analítico1. Com base na solução clássica de Harr para um túnel sem revestimento, combinado com o ambiente hidrológico real (considerando a rocha circundante, o anel de grauteamento e o revestimento como um sistema completo), a equação da pressão da água no campo de infiltração foi derivada2. Compararam várias soluções analíticas e numéricas e comprovaram a confiabilidade da solução analítica3. Propôs um método de análise semi-teórico para calcular a percolação4. Através de análises teóricas, testes internos e medições de campo, foram propostas a forma estrutural e o esquema de drenagem controlável adequado para um túnel de alto nível de água5. Estabeleceu-se 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 constatou-se que a pressão da água na abóbada do túnel era baixa e a pressão da água no arco invertido era alta. Para túneis cársticos ricos em água, o centro do arco invertido era fácil de quebrar quando se utilizava o modo semi-envoltório e semi-drenagem7. Estudou a lei de evolução da pressão da água no revestimento sob a ação da pressão dinâmica da água, propôs um esquema de drenagem otimizado para reduzir a pressão da água em arco invertido e analisou o efeito da prevenção e drenagem da água8. Tomando o Túnel Gongbei como exemplo, foi proposta uma solução analítica para calcular a tensão efetiva causada pela infiltração em torno de um túnel de águas rasas em um semiplano elástico. A alta pressão da água acumulada atrás do revestimento é a principal causa dos desastres de pressão da água. Para determinar a distribuição da pressão da água atrás do revestimento9, deduziu-se a fórmula analítica da pressão da água do revestimento de concreto 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 estado de infiltração estacionário . Estabeleceu a solução analítica de afluência de água para a infiltração estável de um túnel circular sob um coeficiente de permeabilidade isotrópico. Em termos de materiais15, estudou o desempenho à prova d’água de gaxetas de borracha sob quatro aspectos16. Afirmou que Suíça, Áustria e outros países utilizam polietileno e cloreto de polivinila como materiais impermeáveis ​​e são amplamente utilizados17. Desenvolveu materiais compósitos impermeabilizantes e drenantes18,19. Introduziu um novo tipo de 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, numa perspectiva microscópica. Placas de impermeabilização e drenagem de casca capilar e convexa 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 antiassoreamento. Os resultados mostram que a faixa de valores do ângulo da faixa de drenagem capilar situada no subleito, talude e outras estruturas é recomendada entre 10° e 15°21. Conduziu testes de resistência à pressão da água e durabilidade em cinco waterstops diferentes e aplicou-os no sistema de impermeabilização 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 prevenção”23. Propôs um sistema composto de impermeabilização e drenagem (CWDS). Os resultados da pesquisa mostraram que, no caso de bloqueio de tubulação cega, a pressão da água do sistema de drenagem tradicional em um túnel aumenta rapidamente, enquanto o túnel CWDS pode drenar e reduzir efetivamente a pressão24. As medidas triplas de otimização da estrutura propostas e os resultados da pesquisa desempenharão um importante papel orientador no projeto, construção e manutenção dos sistemas de drenagem de túneis rodoviários na China25. Desenvolvi 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 de drenagem circulares e a condutividade hidráulica dos geotêxteis26. Através de simulação numérica e teste de modelo, foram estudados três esquemas otimizados de impermeabilização e drenagem, os resultados mostraram que, quando esquemas convencionais de impermeabilização e drenagem são adotados para túneis cársticos ricos em água, o sistema de drenagem não consegue 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 atingiu 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 de forma eficiente 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, do anel de reforço e da estrutura de suporte inicial. A fim de reduzir ativa e razoavelmente a pressão da água no túnel30, propôs um sistema de drenagem especialmente projetado com antibloqueio e liberação automática da pressão da água31.