Análisis FEM de un nuevo tres

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10850 (2023) Citar este artículo

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Para áreas ricas en agua, los arcos de elevación de los túneles sometidos a alta presión de agua a menudo causan grietas y fugas, abombamientos y otras fallas en los arcos de elevación. Cuando el sistema de drenaje no se diseña adecuadamente, estas fallas ocurren con mayor frecuencia y el drenaje de túneles de carretera convencionales no puede reducir efectivamente la presión del agua en el arco de elevación. Por tanto, este artículo propone un nuevo concepto de "drenaje de tres vías". El sistema de drenaje de tres vías se basa en un sistema de drenaje convencional con una nueva entrada de drenaje en el arco de elevación. Sobre esta base, se llevan a cabo una serie de estudios de simulación numérica para verificar el rendimiento reductor de presión del sistema de drenaje de tres vías en el revestimiento. Después de la demostración y el análisis, el concepto de drenaje de tres vías no sólo puede reducir efectivamente la presión del agua en el arco de elevación del túnel, sino que también tiene un efecto significativo en el efecto de drenaje general del túnel. Los factores que afectan el rendimiento del sistema de drenaje de tres vías se evalúan variando los parámetros del modelo. Se encuentra que el coeficiente de conducción hidráulica de la roca circundante y el soporte inicial, el número de orificios de desvío inverso en el arco de elevación, el cambio en la altura del cabezal y el cambio en los parámetros del revestimiento secundario tienen un efecto significativo sobre la presión del agua exterior. el tunel.

El desarrollo económico de un país está inevitablemente vinculado a la construcción de carreteras, ferrocarriles y otras infraestructuras. China ha logrado logros notables en la construcción de túneles en los últimos años. Por ejemplo, a finales de 2020, el kilometraje total de las carreteras de China alcanzó los 5.198.100 km, un aumento de 185.600 km con respecto a 2019, y los túneles de carreteras de China alcanzaron la friolera de 21.316 km y una distancia total de 21.999.300 metros lineales. Durante la construcción de túneles de carretera se han producido varios incidentes de avería. Entre estos problemas, el agrietamiento de los revestimientos de los túneles de carretera provocado por la alta presión del agua se ha convertido en un factor grave que afecta a la seguridad de los túneles y también ha atraído la atención de la industria1,2. Los tipos de fallas por grietas en el revestimiento de túneles incluyen grietas en las paredes del arco, inyección de agua a alta presión y abombamiento del arco de elevación3,4,5,6. Un lecho abombado de un túnel de carretera no sólo afectará gravemente a la vida útil del túnel sino que también presentará un peligro para la seguridad del tráfico. Incluso si un arco elevado en una carretera no es obvio, aún puede causar un terrible accidente de tráfico para los vehículos que circulan a alta velocidad7,8. El abultamiento del arco de elevación de un túnel puede no deberse únicamente a una gran tensión en el suelo causada por la alta presión del agua; Si el drenaje de la temporada de inundaciones en un túnel no es oportuno, la alta presión del agua concentrada en el arco de elevación puede provocar la absorción y expansión de la roca, lo que puede ablandar la roca y provocar un abultamiento del arco de elevación del túnel. Por lo tanto, es crucial resolver de manera económica y efectiva problemas tales como la alta presión del agua que causa daños a la estructura del revestimiento de un túnel. En la actualidad, existen muchas formas de reducir los daños al revestimiento, entre las cuales un sistema de drenaje eficaz y eficiente es actualmente la principal forma de reducir la presión en un túnel9.

Actualmente, existen dos estrategias principales de impermeabilización y drenaje de túneles de carreteras: un modelo completamente cerrado que no permite que el agua subterránea fluya hacia el túnel y un modelo de drenaje que permite que el agua subterránea fluya hacia el túnel. El modelo completamente cerrado se utiliza a menudo para lugares especiales, como áreas de protección del entorno natural y lugares donde hay edificios importantes en el suelo que no pueden ser drenados por el túnel durante mucho tiempo, lo que provoca hundimientos. Generalmente, los requisitos de resistencia de la estructura de revestimiento y de la capa impermeable son altos. Por lo tanto, para áreas protegidas no naturales, los sistemas de drenaje se utilizan generalmente para reducir la presión externa del agua sobre el revestimiento del túnel. Actualmente, académicos nacionales y extranjeros están estudiando cómo la alta presión del agua afecta las características de tensión estructural de los revestimientos de túneles a través de una serie de análisis teóricos, pruebas de modelos, pruebas de campo y simulaciones numéricas10,11,12,13,14,15. Teóricamente, la distribución espacial de la presión del agua intersticial en túneles urbanos en áreas ricas en agua se estudió basándose en Harr, y se derivó una ecuación de presión del agua para el campo de filtración16. Se utilizó un análisis de variables complejas para analizar la distribución de tensiones en túneles submarinos elásticos de semiplano17. Se propuso un enfoque semianalítico para la entrada de agua en los túneles18. Se propuso una forma estructural adecuada para túneles de alto nivel de agua y la forma estructural de un esquema de drenaje controlado, y se estudió la distribución de la presión del agua en el revestimiento de un túnel mediante análisis teóricos, pruebas en interiores y mediciones de campo19. Se desarrolló un marco de evaluación basado en un modelo hidrológico acoplado regionalmente para estudiar los efectos del drenaje del túnel en la vegetación circundante20,21,22,23. Sin embargo, los resultados de la investigación actual sobre la prevención del drenaje de túneles involucraron métodos de drenaje convencionales. Aunque esto tiene un efecto significativo en la reducción de la presión del agua fuera del revestimiento en comparación con el cierre total, solo tiene un efecto de reducción significativo de la presión alrededor de la pared del arco del túnel. Por el lado de los materiales, se realizaron pruebas de permeabilidad en plano de filtros geotextiles drenados para evaluar su mecanismo de deterioro hidráulico en túneles24,25. Se examinó una mezcla óptima de mortero de espuma liviana para promover el drenaje del túnel utilizando el método de revestimiento compuesto26. Se diseñaron materiales impermeables y transpirables a partir de nanofibras electrohiladas27. En términos de estructura, se propuso mediante simulación numérica y pruebas en interiores28 una nueva estructura de drenaje que contiene losas de drenaje convexas para el casco. Se construyó un sistema de drenaje de túnel mediante tecnología de impresión 3D y se realizó una prueba de simulación del bloqueo del sistema de drenaje29. Se propusieron tres esquemas de optimización de impermeabilización y drenaje, donde la colocación de un drenaje central en el fondo de un invertido tuvo el mayor impacto en la reducción de la presión del agua en un 96%9. Se propuso un método de drenaje de abajo hacia arriba para túneles ferroviarios con reducción de presión30. Se propuso una nueva red de drenaje para resolver el problema de drenaje de los túneles de montaña que cruzan zonas de fractura con alto LWP31. Estudiaron y analizaron los requisitos de impermeabilidad y las medidas de construcción de diferentes túneles especiales en China32,33,34. Los estudios anteriores exploraron el problema de la presión del agua en los túneles y utilizaron varias soluciones (incluido el cálculo de la presión del agua externa, la optimización de los sistemas de drenaje e impermeabilización de los túneles, nuevas tecnologías y materiales, etc.), pero no consideraron cómo mitigar eficazmente el impacto de la presión del agua en la estructura de revestimiento en el arco de elevación del túnel. Al mismo tiempo, se analizaron las causas del aumento de la presión del agua fuera del túnel, pero ninguno de ellos consideró cómo reducir efectivamente el impacto de la presión del agua en el arco de elevación del túnel sobre la estructura del revestimiento.

Con base en estos problemas, este artículo propone un nuevo concepto de drenaje de túneles de carretera de tres vías. En comparación con los sistemas de drenaje de túneles de carretera convencionales, las características de este sistema mejoran las de los sistemas de drenaje de túneles de carretera convencionales al establecer un área de captación de agua (como el estanque de arena de guijarros en la Fig. 3) en el arco de elevación. Después de conectarse al drenaje central a través de una tubería (con una válvula de drenaje unidireccional en el interior), el exceso de agua se descarga utilizando la diferencia de presión. Esto puede reducir efectivamente la alta presión del agua en el arco de elevación sin afectar el entorno ecológico circundante al descargar demasiada agua bajo la acción de la válvula unidireccional.

La investigación en este artículo está organizada de la siguiente manera: primero, se realiza una breve revisión de los últimos avances en la investigación de la prevención del drenaje de carreteras. A continuación se presenta un diseño detallado del sistema de despresurización para la estructura de revestimiento de túnel de un sistema de drenaje de tres vías. Finalmente, se realizan una serie de simulaciones numéricas para verificar el rendimiento de reducción de presión del sistema de drenaje de tres vías. Al mismo tiempo, se evalúan algunos factores clave que influyen en la reducción de la presión del drenaje de tres vías cambiando los coeficientes de conducción hidráulica de la roca circundante y el soporte inicial, la altura de la cabeza, el número de aberturas de desviación inversa de agua en el arco posterior y los parámetros de conducción hidráulica del revestimiento secundario.

En esta sección, se revisan brevemente los resultados de la investigación sobre la prevención del drenaje en China y en el extranjero con el objetivo principal de resaltar la novedad de la investigación en este artículo.

En la actualidad, las estrategias de prevención de drenaje de túneles más avanzadas utilizadas en China y en el extranjero provienen de Europa, Japón, Suecia, Corea del Sur y otras regiones o países desarrollados. En la mayoría de los países, los túneles de montaña ricos en agua se drenan para reducir la presión del agua externa en el revestimiento del túnel en condiciones sin requisitos especiales. La estructura consta de un tapajuntas entre el soporte inicial y el revestimiento secundario, un tubo ciego de drenaje circular, un tubo ciego de drenaje longitudinal, una zanja central de drenaje y un dolina fijada a 50 m (88 m). En lo que respecta al sistema de drenaje del túnel de carretera, la diferencia radica en la dirección de descarga del agua en el arco de elevación y en el diferente comportamiento reductor de presión de los cuatro modelos ya estudiados, como se muestra en las Fig. 19,30,35:

Para extraer el agua se utilizan tuberías ciegas de drenaje circulares y longitudinales, y el agua se introduce en la zanja de drenaje central a través de tuberías de desviación transversales. La tubería de desvío transversal y la zanja de drenaje central se instalan debajo de la calzada para formar un sistema de drenaje completo (Fig. 1a).

Debajo del revestimiento del túnel se coloca una zanja de drenaje central y a ella se conecta directamente el tubo ciego de drenaje circular para los trabajos de drenaje (Fig. 1b).

Según 1, el tubo ciego circular se extiende por debajo del arco de elevación antes de conectarse al drenaje central a través del drenaje inverso para formar un camino de drenaje completo. Generalmente se coloca una cabeza protectora de grava alrededor del drenaje central, que también sirve como filtro para los desechos (Fig. 1c).

Por lo tanto, el revestimiento está completamente cerrado y no permite que el agua fluya hacia el túnel. Fuera del cuerpo, el agua sale del túnel a través de 2 en combinación con el tubo de desviación lateral en 1, que reúne el agua en una zanja de drenaje central debajo del arco supino (Fig. 1d).

Se han estudiado cuatro modelos diferentes: (a) sistema de drenaje A; (b) sistema de drenaje B; (c) sistema de drenaje C; y (d) sistema de drenaje D.

El sistema de drenaje actual que se utiliza con frecuencia en los túneles de carreteras chinos se muestra en la Fig. 1. Las dimensiones de la sección se muestran en la Fig. 2a. Generalmente este sistema de drenaje se instala entre el revestimiento secundario y el soporte inicial con tubos ciegos de drenaje anulares y longitudinales así como una capa impermeable, y la zanja de drenaje central y el tubo de desvío lateral se instalan debajo de la plataforma. El agua alrededor del túnel se dirige a través de las tuberías de drenaje y se recoge en la zanja de drenaje central a través de las tuberías de drenaje laterales. La distancia entre las tuberías de drenaje en el proyecto y el grado de roca circundante, la cantidad de roca rica en agua y la altura del cabezal tienen una cierta relación, y la distancia longitudinal general entre la tubería ciega de drenaje circular es de aproximadamente 6 ~ 10 m. .

(a) Tamaño de la sección transversal de la estructura del revestimiento; (b) Sistemas antidrenaje comúnmente utilizados en túneles de carreteras chinos.

Lo anterior ilustra el drenaje del dispositivo antidrenaje del túnel, sin importar qué drenaje sea para proteger la seguridad y la vida útil del túnel, pero a menudo tiene ciertos defectos. Por ejemplo, en la Fig. 2, los túneles de carreteras chinos suelen utilizar un sistema de drenaje que es fácil de implementar, pero es posible que no pueda drenar el agua desde la posición del arco de elevación del túnel. En caso de que no llueva, se puede garantizar la seguridad del túnel, pero en el caso de lluvias relativamente altas o de un funcionamiento prolongado de la tubería del túnel que provoque cristalización, el drenaje puede no ser oportuno, lo que provocará daños por fuerza en el revestimiento del túnel y afectando en última instancia la vida del túnel. Como se muestra en las figuras 1c yd, la zanja de drenaje central está ubicada debajo del arco de elevación del túnel. Aunque puede resolver eficazmente el problema de la alta presión del agua en el arco de elevación del túnel, no puede controlar la cantidad de descarga de agua subterránea. Esto conducirá al fenómeno de una descarga excesiva que afectará negativamente al entorno ecológico circundante. También tendrá un impacto en la construcción del túnel, lo que resultará en una gran cantidad de excavación de tierra y roca, lo que no solo afectará el período de construcción sino que también aumentará la inversión económica del proyecto. En la Fig. 1b, aunque este diseño agrega un drenaje inverso, no se proporciona protección para el cabezal de la tubería. Al aumentar el funcionamiento se producirá cristalización u obstrucción de objetos extraños, lo que provocará una disminución del volumen de drenaje, lo que provocará un aumento de la presión del agua en el arco de elevación. Esto perjudica a largo plazo el revestimiento del túnel. Para resolver los problemas anteriores, se llevará a cabo la siguiente discusión y análisis de los contenidos centrales de este artículo.

Este artículo estudia un sistema de drenaje y despresurización de tres vías para túneles de carreteras chinos, que consta de cuatro componentes principales: ① un sistema de drenaje circular; ② un sistema de drenaje longitudinal; ③ un tubo de drenaje inverso para el arco elevado; y ④ una tubería de desvío transversal y una zanja de drenaje central. Entre ellos, el anillo, el tubo ciego de drenaje longitudinal y el tubo de drenaje inverso de arco supino recién agregado logran tres direcciones de drenaje en este documento y se denominan sistema de reducción de presión de drenaje de tres vías (en lo sucesivo denominado sistema de drenaje de tres vías). ). Los detalles de la estructura se muestran en la figura.

Sistema de drenaje circunferencial: El sistema de drenaje circunferencial se ubica entre el soporte inicial y el revestimiento secundario del túnel y es el encargado de dirigir el flujo de agua alrededor del túnel para descargar el agua, como se muestra en la Fig. 3.

Sistema de drenaje longitudinal: El sistema de drenaje longitudinal es responsable de recolectar el agua dirigida hacia abajo desde el sistema de drenaje circular, así como el agua perimetral que se filtra hacia abajo y luego llevar el agua a la zanja de drenaje central a través de la tubería de desvío horizontal.

Tubo de drenaje inverso para el arco supino: el sistema de drenaje inverso para el arco supino consta de un estanque de arena (arena gruesa y guijarros). Fuera del revestimiento del túnel, un conjunto de válvula de drenaje unidireccional36 (Bgha B, Hui LA et al. 2020) y una tubería de drenaje inverso están conectados a la zanja de drenaje central, lo que finalmente conduce a la alta presión del agua en el arco supino fuera de el túnel a través de la zanja de drenaje central durante la temporada de inundaciones (ver Fig. 6).

Tubería de desvío transversal y zanja de drenaje central: La tubería de desvío horizontal y la zanja de drenaje central son los principales responsables de desviar el agua recolectada por el sistema de drenaje de tres vías fuera del túnel para reducir la presión del agua fuera del revestimiento del túnel.

Disposición de la estructura del sistema de drenaje de tres vías.

Se comparan las diferencias estructurales entre el sistema de drenaje convencional para túneles de carretera en zonas ricas en agua (Fig. 2) y el nuevo concepto de sistema de drenaje para drenaje de tres vías (Fig. 3). El llamado sistema de drenaje de tres vías utiliza la alta presión del agua en el arco de elevación para desviar el agua a alta presión fuera del túnel a través del estanque colector de arena y la tubería de drenaje inverso para lograr una reducción de presión en el arco de elevación del túnel. La alta presión del agua en la parte inferior del arco elevado en la Fig. 4 drenará el agua bajo la diferencia de presión. La válvula unidireccional evita que el agua retroceda y drena solo cuando se alcanza suficiente presión de diseño en el arco de elevación, y el estanque de arena tiene un efecto protector en la entrada de agua, lo que aumenta la vida útil. Durante la estación seca, el drenaje será bloqueado por la válvula de retención de drenaje para que el agua subterránea no se descargue excesivamente en el área rica en agua. Para cumplir con el principio de "bloqueo principalmente, descarga limitada" de la prevención del drenaje del túnel, se puede evitar que el reflujo de sedimentos bloquee la estructura. Actualmente existen estudios similares para este concepto30. Aunque este estudio también sirve para reducir la alta presión del agua en el arco de elevación, sirve principalmente a túneles ferroviarios y la estructura del estudio es relativamente compleja.

Mecanismos de drenaje del sistema de drenaje de tres vías.

Dado que en este trabajo se propone un nuevo sistema de drenaje, que actualmente no tiene caso en ingeniería, se utiliza simulación numérica para estudiarlo. En esta sección, se investiga la viabilidad del concepto de sistema de drenaje de tres vías mediante simulación numérica con el software Midas gtsNX. Los resultados de la investigación demuestran que el concepto de drenaje de tres vías no sólo puede reducir la presión general del agua de la estructura del revestimiento del túnel, sino también reducir eficazmente la presión del agua en el arco de elevación. A continuación se presentará un análisis detallado. El cálculo de la presión del agua fuera del revestimiento se basa principalmente en la teoría del flujo de pozo en acuíferos infinitos y la ley de Darcy.

Para estudiar el desempeño del sistema de drenaje de tres vías sobre la caída de presión del agua en el arco de elevación del túnel, este artículo utiliza software de elementos finitos para simular el sistema de drenaje de tres vías y el sistema de drenaje convencional para análisis y verificación comparativos.

La simulación del modelo se basa en el túnel Tongzi, un túnel de alta velocidad de megasección en construcción en Guizhou, China, como referencia. El aporte de agua diario estimado en este túnel alcanza los 192.281 m3/d, con una precipitación media anual de 1.037,3 mm, una precipitación máxima anual de 1.374 mm y una precipitación máxima diaria de 173,3 mm, estando desarrolladas principalmente las depresiones kársticas de la zona. en la entrada del túnel y en el tramo de cueva. El nivel freático en la parte superior de la bóveda del túnel es de 70 m y la altura se aplica en la parte superior. El tamaño del modelo de largo × ancho × alto = 180 × 40 × 100 m. Se considera que el perímetro es mayor que 3 por el diámetro del orificio para eliminar el efecto de límite, y el modelo de malla y los detalles de la estructura se muestran en la Fig. 5. Todas las partes del modelo se simulan utilizando unidades sólidas. El presente modelo parte de los siguientes supuestos: la roca circundante se simula utilizando el modelo de estructura principal de Mohr-Coulomb, y el soporte inicial, la estructura de revestimiento secundario y el sistema de prevención de drenaje se simulan utilizando el modelo elástico. El modelo siempre está completamente saturado y la presión de la cabeza nodal se establece en 0 en el área del orificio de drenaje para simular el drenaje. Para facilitar el cálculo, el sistema de drenaje en un proyecto real comúnmente utiliza un diámetro de tubería de PVC como base de referencia. El modelado equivale a una estructura cuadrada de 89 × 89 × 89 mm utilizando el principio de flujo igual. Los parámetros específicos del material se enumeran en la Tabla 1 a continuación.

Modelo de red y detalles de la estructura de drenaje y disposición de los puntos de monitoreo: (a) Modelo de simulación tridimensional; (b) Estructura de drenaje convencional y de tres vías; (c) Monitorear los puntos de diseño.

Para verificar el rendimiento del sistema de drenaje de tres vías, se realizó y normalizó un análisis comparativo del sistema de drenaje convencional completamente cerrado sin drenaje y el sistema de drenaje de tres vías y se normalizó con base en los valores del sistema completamente cerrado sin drenaje. Se extrajeron para su análisis la sección transversal de drenaje y la sección transversal no drenante de la sección de monitoreo circular del túnel (C1 a C10). La Figura 6a muestra la distribución de la presión del agua en la sección de drenaje del revestimiento secundario y (b) la distribución de la presión del agua en la sección sin drenaje del revestimiento secundario. Según las figuras 6b yc, se pueden sacar las siguientes conclusiones.

El diagrama envolvente de la presión externa del agua debería enumerarse de la siguiente manera: (a) Sección de monitoreo; (b) presión del agua en la sección de drenaje; (c) presión del agua en la sección de drenaje.

En comparación con un sistema sin drenaje completamente cerrado con una presión de agua externa de 1 MPa, un sistema de drenaje convencional con una presión de agua externa de 0,58 MPa reduce efectivamente la presión del agua fuera del revestimiento en aproximadamente un 58% en la sección sobre la tubería de drenaje longitudinal. Para los puntos de medición C1 a C7, si la capacidad de drenaje del sistema de drenaje está completamente desarrollada, el efecto de reducción de presión será más obvio. Sin embargo, un sistema de drenaje convencional no tiene una salida de drenaje en la parte inferior del arco supino. Los puntos de medición C8 a C10 muestran que la presión del agua alrededor del arco de elevación se reduce en menos del 20%. Por lo tanto, por el momento, los sistemas de drenaje convencionales en los túneles de carretera chinos todavía son deficientes en términos de alivio de presión en el arco de elevación del túnel. Esta alta presión de agua acumulada en el arco de elevación, si encuentra fuertes lluvias o lluvias continuas, puede hacer que la estructura del arco de elevación del túnel sea muy vulnerable a la amenaza de la presión del agua del alto nivel del agua, reduciendo así la vida útil del túnel. Sin embargo, en el estudio se encontró que el uso de drenaje inverso del arco elevado fue efectivo para reducir la aparición de tales situaciones. El principio es utilizar la diferencia de presión para revertir el agua que sale del túnel desde debajo del arco elevado. El concepto de "drenaje de tres vías" en este artículo se deriva principalmente del concepto de que la diferencia de presión puede hacer que el agua fluya en la dirección opuesta, lo que puede drenar efectivamente el agua bajo presión natural. Esto también evita una descarga excesiva de agua, lo que es beneficioso para el entorno ecológico circundante.

A partir de los resultados de la simulación numérica (b), el rendimiento de reducción de presión del sistema de drenaje de tres vías en el arco de elevación es aproximadamente siete veces mayor que el del sistema de drenaje convencional, y las presiones externas del agua de los dos son 0,09 MPa y 0,68 MPa. respectivamente. La presión del agua en el arco elevado se reduce significativamente. No es difícil deducir de (c) que también existe un cierto efecto sobre la reducción general de la presión de la estructura del túnel. La capacidad de reducción de presión de la sección sin drenaje también aumenta y el efecto de reducción de presión en el arco elevado es aproximadamente un 57% mayor que el efecto convencional. En la simulación numérica anterior, se verificaron el rendimiento de reducción de presión y la viabilidad del "sistema de drenaje de tres vías". A partir de los resultados, es obvio que la presión del agua se reduce considerablemente después de que se colocan los orificios de drenaje inversos en los arcos de elevación C8 y C9.

Se pueden extraer las siguientes conclusiones de la Fig. 7, donde (c) a (h) muestran las relaciones multiplicativas del número de orificios de drenaje inverso en el arco supino para drenaje de tres vías. En el diagrama de nubes anterior, se puede ver que el revestimiento secundario en el estado completamente cerrado de la Fig. 7a está en un estado de presión hidrostática y la presión externa del agua es muy alta. En la Fig. 7b, para el método de drenaje convencional, la presión externa del agua se reduce aproximadamente un 30%. Sin embargo, el arco elevado todavía está sujeto a una alta presión de agua externa, lo que no es seguro para un funcionamiento a largo plazo. Para el sistema de drenaje de tres vías, es obvio que cuando el número de orificios de drenaje inverso aumenta de 2 a 32 según la relación multiplicativa anterior, se puede observar que un mayor número de orificios de drenaje inverso en el arco de elevación es más beneficioso. para reducir la presión del arco de elevación. Sin embargo, para que el diseño de este documento sirva para proyectos posteriores, se debe determinar un número razonable y económico de orificios de drenaje inversos. Cuando el número de orificios de drenaje inverso aumenta de 8 a 16, se produce una disminución de aproximadamente el 12 % y la tasa de reducción de presión es la más alta en este momento. En la Fig. 7h, hay un número infinito de orificios de drenaje inversos, aunque el efecto de reducción de presión es significativo. Sin embargo, esto no es seguro para la estructura general del túnel, por lo que se recomienda instalar 16 orificios de drenaje inversos por cada intervalo de 40 m de longitud.

Nube de presión de agua externa del revestimiento secundario: (a) Sin drenaje; (b) drenaje convencional; (c) 2 drenajes inversos; (d) 4 drenajes inversos; (e) 8 drenajes inversos; f) 16 drenajes inversos; g) 32 drenajes inversos; (h) Drenaje inverso.

En general, se verificó la viabilidad del nuevo concepto de drenaje de tres vías. Además, el drenaje inverso del arco elevado puede proteger el túnel en la temporada de inundaciones cuando la presión es alta, y se aprovechan las diferencias de presión para que el agua se descargue automáticamente. Retener los recursos hídricos durante el tiempo seco no tiene un impacto significativo en el ecosistema circundante.

En este apartado se estudiará el comportamiento del sistema de drenaje de tres vías mediante parámetros de simulación numérica variando los parámetros de la conductividad hidráulica de la roca circundante, la altura de cabeza, el apoyo inicial y el revestimiento secundario.

El siguiente artículo presenta un estudio de simulación numérica analizando el drenaje de tres vías bajo diferentes parámetros. El estudio del rendimiento del drenaje de tres vías se llevó a cabo cambiando los parámetros. La siguiente explicación se lleva a cabo con la condición de que el drenaje sea completamente normal y completamente simétrico. El coeficiente de conductividad hidráulica y la altura de la cabeza del recinto IV, el revestimiento secundario y el soporte inicial se cambian bajo las condiciones de la Tabla 1, y los parámetros específicos se cambian como se muestra en la Tabla 2.

Para el cálculo numérico, primero se selecciona una variable como valor fijo. Los cálculos analíticos se realizan cambiando otros parámetros físicos. Por ejemplo, la conductividad hidráulica del revestimiento secundario 1.3×10−11 en la Tabla 1 permanece sin cambios, y la conductividad hidráulica de otros parámetros IV que rodean la roca y el soporte inicial aumentan de 1 a 10 veces. Como hay demasiadas combinaciones, sólo se consideran los cambios de orden. La altura de la cabeza aumenta de 25 m a un ritmo de 5 m hasta una altura de la cabeza de 70 m. Para ver la diferencia en las curvas de resultados, la conductividad hidráulica del revestimiento secundario toma dos valores fijos de 1,3×10−8 y 1,3×10−11 como conductividades hidráulicas alta y baja, respectivamente, para el análisis, que se indican como SLH1 y SLH2 a continuación.

El número de tuberías de drenaje de tres vías sigue aumentando de 1, 2,…, ∞; es decir, el número de tuberías de drenaje inverso del arco elevado continúa aumentando desde 1 para formar un fregadero, que es ∞. Como no fue posible modelar esto muchas veces, sólo se seleccionaron 10 valores para la simulación. Esto se debe a que dicho valor ya es muy intensivo en este modelo computacional.

Los cálculos en esta sección están todos de acuerdo con la Tabla 2 para el análisis de los valores de magnitud de la presión del agua que afecta el revestimiento secundario exterior. Para los resultados se tomaron los puntos de medición C8 y C9 con representación especial y se compararon con los sistemas de drenaje convencionales y completamente cerrados analizados anteriormente. Los siguientes resultados trazados están normalizados a los resultados sin drenaje completamente incluidos y, después de cambiar una condición, las otras condiciones son los valores iniciales en la Tabla 1.

El efecto del coeficiente de conducción hidráulica de la roca circundante IV sobre la presión del agua fuera del revestimiento secundario bajo la condición de no cambiar la calidad de la roca circundante se muestra en la Fig. 8.

Coeficiente de conducción hidráulica de la roca circundante IV sobre el efecto de la presión del agua fuera del revestimiento secundario.

Puede verse en la Fig. 8 que la conductividad hidráulica de la envoltura IV aumenta lentamente de 0,1, 0,2, ..., 1, 2 veces a 10 veces cuando aumenta la presión externa del agua del revestimiento secundario. La tendencia de crecimiento va de un aumento rápido a un aumento constante. Los resultados muestran que la conductividad hidráulica de la roca circundante aumenta la presión externa general del agua del revestimiento secundario, pero la alta permeabilidad del revestimiento secundario puede reducir efectivamente la presión del agua. En comparación con el drenaje convencional, la presión del agua del arco de elevación del drenaje de tres vías en la roca circundante tiene un coeficiente de conductividad hidráulica de 6 a 10 veces mayor que el tamaño de la presión del agua y se mantiene en aproximadamente 0,65 veces. Por lo tanto, el modo de drenaje de tres vías puede reducir efectivamente la presión del agua externa en el arco de elevación del túnel. Cuando la conductividad hidráulica del revestimiento secundario aumenta 100 veces, la diferencia en la relación de presión del agua en C8 y C9 no es demasiado grande.

La Figura 9 muestra que el coeficiente de conducción hidráulica del soporte inicial crece y la presión del agua fuera del revestimiento secundario del sistema de drenaje de tres vías crece lentamente y eventualmente se estabiliza. Para los sistemas de drenaje convencionales, la solución numérica de la presión del agua fuera del revestimiento secundario disminuye lentamente y eventualmente se estabiliza. De los resultados de ambos, existe un valor muy desfavorable para el coeficiente de conductividad hidráulica del soporte inicial. Por lo tanto, la presión externa del agua del revestimiento secundario tendrá un pico máximo. Después de este valor máximo, la presión del agua en el revestimiento secundario tenderá a disminuir, pero sólo dentro de un pequeño rango de fluctuaciones.

Efecto del coeficiente de conducción hidráulica del soporte inicial sobre la presión del agua fuera del revestimiento secundario.

Como se muestra en la Fig. 10, la capacidad de drenaje mejora cambiando el número de orificios de drenaje inversos en el arco elevado. El estudio numérico encontró que la presión externa del agua del revestimiento secundario disminuía regularmente con un aumento en el orificio de drenaje inverso del arco elevado. A medida que el número de orificios de drenaje cambia de un punto a una línea, la tasa de reducción de la presión del agua se vuelve cada vez más lenta y la curva eventualmente se aplana. Esto significa que cuando el número de orificios de drenaje aumenta lentamente hasta un nivel muy denso, ya no hay un aumento significativo en la presión externa del agua del revestimiento secundario. Esto muestra que existe un número óptimo de orificios de drenaje establecidos en el arco de elevación para un drenaje de tres vías. Por ejemplo, en este artículo, si la longitud del revestimiento es de 40 m, se establecerá el número de 16 orificios de drenaje inversos del arco elevado para alcanzar el valor óptimo. Al mismo tiempo, el método de drenaje de tres vías también puede reducir eficazmente la presión externa general del agua del arco elevado y el revestimiento secundario en comparación con el drenaje convencional.

El efecto del número de orificios de drenaje inverso en el arco de elevación sobre la presión del agua fuera del revestimiento secundario.

Otras condiciones iniciales permanecen sin cambios, y el cambio de altura del cabezal en el revestimiento secundario fuera de la ley de influencia de la presión del agua se muestra en la Fig. 11. No es difícil encontrar que con el aumento en la altura del cabezal, la presión externa del agua del revestimiento secundario básicamente no ha cambiado. Esto indica que a medida que aumenta la altura y la presión del agua, el tamaño del flujo de agua descargada también aumentará año tras año. Dado que aquí sólo se analiza la altura máxima de 70 m, esto difiere del caso de túneles profundamente enterrados. Por lo tanto, el aumento en la altura de la cabeza tiene poco efecto sobre la presión externa del agua del revestimiento secundario para lotes donde la profundidad de enterramiento no es grande. Sin embargo, en comparación con el drenaje convencional, la reducción de la presión del agua después de configurar la entrada de desviación inversa del arco elevado para el drenaje de tres vías es significativa, sólo 0,43 veces mayor que la del drenaje convencional. Con diferentes coeficientes de conductividad hidráulica para el revestimiento secundario, no es difícil encontrar que la diferencia entre los dos no es grande bajo la condición del multiplicador de 100 veces, lo que indica que este no es un factor importante.

Diferentes alturas de cabezal en el revestimiento secundario fuera del efecto de la presión del agua.

Para resolver eficiente y económicamente los problemas de daños causados por la alta presión del agua en los arcos de elevación de los túneles de las carreteras en China, este artículo propone un nuevo concepto de drenaje de "drenaje de tres vías", que ha demostrado ser eficaz para reducir la alta presión del agua. presión en el arco de elevación del túnel. Las características de drenaje y descompresión del sistema de drenaje de tres vías sobre el revestimiento del túnel se analizan mediante una simulación numérica. Los principales resultados son los siguientes:

El sistema de drenaje de tres vías agrega una estructura de drenaje inverso (con un conjunto de válvulas unidireccionales) al arco elevado, lo cual es teóricamente factible. Puede reducir efectivamente la presión del agua externa en el arco de elevación del túnel, así como la presión del agua de la estructura general del revestimiento.

La presión externa del agua del revestimiento secundario del túnel tiene una cierta relación con la conductividad hidráulica de la roca circundante, que muestra una tendencia de crecimiento sincrónica.

Para los resultados numéricos del drenaje de tres vías en este artículo, el aumento en la conductividad hidráulica del soporte inicial tiene poco efecto sobre el cambio en la presión del agua en el revestimiento secundario. El cambio en el coeficiente de transferencia de fuerza provocará un pico en la presión externa del agua del revestimiento secundario, lo que provocará que la presión del agua del revestimiento secundario comience a nivelarse.

El aumento de la altura del cabezal hace que la relación de presión del agua fuera del revestimiento secundario aumente linealmente. Por lo tanto, en un entorno de gran altura, el sistema de prevención de drenaje del túnel, así como la estructura de revestimiento, deberán mejorar los requisitos de diseño.

El sistema de drenaje de tres vías en este artículo ha demostrado ser factible. Actualmente no se utiliza en la práctica y aún se encuentra en la etapa de análisis teórico. Se llevarán a cabo pruebas de modelos en interiores para proporcionar un método de drenaje razonable y económico para túneles de carretera, y se utilizará experiencia real en ingeniería para verificar el rendimiento del drenaje y la reducción de presión del sistema de drenaje de tres vías.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Los autores agradecen al Sr. Wenrong Ma de China Railway Eighth Engineering Group Third Engineering Co., Ltd. y al Sr. Xiaoyong He de China Railway Development Investment Group Co., Ltd. por sus valiosos comentarios y apoyo.

Este trabajo fue apoyado por el Proyecto de Planificación de Ciencia y Tecnología de la provincia de Guizhou (el gran proyecto especial Qiankehe [2018] 3011, el Proyecto Básico Qiankehe ZK [2022] Proyecto General 082 y el Proyecto Básico Qiankehe [2019] No. 1057), el Proyecto de Investigación de Ingeniería de la Fase I de la Línea 3 del Metro de Guiyang (Proyecto No. GD3-FW-YJ-05-2020-13-ZB) y el Proyecto Regional de Construcción de Disciplina de Primera Clase en la Provincia de Guizhou (QYNYL [2017] 0013).

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Guizhou, Guiyang, 550025, China

Zhaolei Teng, Yuanming Liu, Shilong Mei, Yuhang Zhou, Guohua He, Yingxiao Li y Bitao Du

Laboratorio provincial clave de mecánica de rocas y suelos y seguridad de ingeniería de Guizhou, Guiyang, 550025, China

Yuan Ming Liu

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ZT escribió el texto principal del manuscrito; yu.l. y YZ preparó las Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11, Yi.L. y SM preparó las Tablas 1 y 2, y BD y GH prepararon el modelado numérico del software. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yuanming Liu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Teng, Z., Liu, Y., Mei, S. et al. Análisis FEM de un nuevo sistema de drenaje y reducción de presión de tres vías para túneles de carretera. Representante científico 13, 10850 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37417-1

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Recibido: 07 de abril de 2023

Aceptado: 21 de junio de 2023

Publicado: 05 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37417-1

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