FEM-Analyse einer neuen Drei

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10850 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In wasserreichen Gebieten führen Tunnel-Höhenbögen unter hohem Wasserdruck häufig zu Rissen und Undichtigkeiten, Ausbeulungen und anderen Ausfällen der Höhenbögen. Wenn das Entwässerungssystem nicht ordnungsgemäß ausgelegt ist, treten diese Ausfälle häufiger auf und die herkömmliche Entwässerung von Straßentunneln kann den Wasserdruck am Höhenbogen nicht wirksam reduzieren. Daher wird in diesem Artikel ein neues Konzept der „Drei-Wege-Entwässerung“ vorgeschlagen. Das Drei-Wege-Entwässerungssystem basiert auf einem herkömmlichen Entwässerungssystem mit einem neuen Entwässerungszulauf am Höhenbogen. Auf dieser Grundlage wird eine Reihe numerischer Simulationsstudien durchgeführt, um die druckreduzierende Leistung des Drei-Wege-Entwässerungssystems an der Auskleidung zu überprüfen. Nach Demonstration und Analyse kann das Drei-Wege-Entwässerungskonzept nicht nur den Wasserdruck am Höhenbogen des Tunnels wirksam reduzieren, sondern auch einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtentwässerungswirkung des Tunnels haben. Die Faktoren, die die Leistung des Dreiwegeentwässerungssystems beeinflussen, werden durch Variation der Modellparameter bewertet. Es wurde festgestellt, dass der hydraulische Leitungskoeffizient des umgebenden Gesteins und der anfänglichen Unterstützung, die Anzahl der Umkehrumleitungslöcher im Höhenbogen, die Änderung der Fallhöhe und die Änderung der Sekundärauskleidungsparameter alle einen erheblichen Einfluss auf den Wasserdruck draußen haben Der Tunnel.

Die wirtschaftliche Entwicklung eines Landes ist zwangsläufig mit dem Bau von Straßen, Eisenbahnen und anderer Infrastruktur verbunden. China hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Erfolge im Tunnelbau erzielt. Bis Ende 2020 erreichte beispielsweise die gesamte Straßenkilometerzahl Chinas 5.198.100 km, ein Anstieg von 185.600 km gegenüber 2019, und Chinas Straßentunnel erreichten satte 21.316 km und eine Gesamtlänge von 21.999.300 laufenden Metern. Beim Bau von Straßentunneln kam es zu mehreren Störfällen. Unter diesen Problemen ist die durch hohen Wasserdruck verursachte Rissbildung in der Straßentunnelauskleidung zu einem schwerwiegenden Faktor geworden, der die Tunnelsicherheit beeinträchtigt und auch die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich gezogen hat1,2. Zu den Arten von Rissen in der Tunnelauskleidung gehören Risse in der Bogenwand, Hochdruckwassereinspritzung und Ausbeulungen von Höhengewölben3,4,5,6. Ein ausgebeultes Straßenbett eines Straßentunnels beeinträchtigt nicht nur die Lebensdauer des Tunnels erheblich, sondern stellt auch ein Sicherheitsrisiko für den Verkehr dar. Auch wenn eine erhöhte Bogenwölbung auf einer Autobahn nicht offensichtlich ist, kann sie für Fahrzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit fahren, dennoch zu einem schrecklichen Verkehrsunfall führen7,8. Eine Ausbuchtung eines Tunnelhöhenbogens ist möglicherweise nicht ausschließlich auf eine hohe Bodenspannung zurückzuführen, die durch hohen Wasserdruck verursacht wird. Wenn die Entwässerung in einem Tunnel während der Hochwassersaison nicht rechtzeitig erfolgt, kann der hohe Wasserdruck, der sich im Höhenbogen konzentriert, zur Aufnahme und Ausdehnung des Gesteins führen, was das Gestein aufweichen und zu einer Ausbuchtung des Höhenbogens des Tunnels führen kann. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Probleme wie hohen Wasserdruck, der Schäden an der Tunnelauskleidungsstruktur verursacht, wirtschaftlich und effektiv zu lösen. Derzeit gibt es viele Möglichkeiten, Schäden an der Auskleidung zu reduzieren, wobei ein wirksames und effizientes Entwässerungssystem derzeit die wichtigste Möglichkeit ist, den Druck auf einen Tunnel zu verringern9.

Derzeit gibt es zwei Hauptstrategien für die Abdichtung und Entwässerung von Autobahntunneln: ein vollständig geschlossenes Modell, das den Zufluss von Grundwasser in den Tunnel verhindert, und ein Entwässerungsmodell, das den Zufluss von Grundwasser in den Tunnel zulässt. Das vollständig geschlossene Modell wird häufig für besondere Standorte wie Naturschutzgebiete und Orte verwendet, an denen sich wichtige Gebäude auf dem Boden befinden, die über einen längeren Zeitraum nicht durch den Tunnel entwässert werden können, was zu Bodensenkungen führt. Im Allgemeinen sind die Festigkeitsanforderungen an die Auskleidungsstruktur und die wasserdichte Schicht hoch. Daher werden bei nicht-natürlichen Schutzgebieten in der Regel Entwässerungssysteme eingesetzt, um den äußeren Wasserdruck auf die Tunnelauskleidung zu reduzieren. Wissenschaftler im In- und Ausland untersuchen derzeit mithilfe einer Reihe theoretischer Analysen, Modellversuche, Feldtests und numerischer Simulationen, wie sich hoher Wasserdruck auf die strukturellen Spannungseigenschaften von Tunnelauskleidungen auswirkt10,11,12,13,14,15. Theoretisch wurde die räumliche Verteilung des Porenwasserdrucks in städtischen Tunneln in wasserreichen Gebieten auf der Grundlage von Harr untersucht und eine Wasserdruckgleichung für das Sickerfeld abgeleitet16. Mithilfe einer komplexen Variablenanalyse wurde die Spannungsverteilung in elastischen Halbebenen-Unterwassertunneln analysiert17. Es wurde ein semianalytischer Ansatz für den Tunnelwasserzufluss vorgeschlagen18. Es wurden eine für Tunnel mit hohem Wasserstand geeignete Strukturform und die Strukturform eines kontrollierten Entwässerungssystems vorgeschlagen, und die Wasserdruckverteilung in einer Tunnelauskleidung wurde durch theoretische Analysen, Innentests und Feldmessungen untersucht19. Um die Auswirkungen der Tunnelentwässerung auf die umgebende Vegetation zu untersuchen, wurde ein Bewertungsrahmen entwickelt, der auf einem regional gekoppelten hydrologischen Modell basiert20,21,22,23. Die aktuellen Forschungsergebnisse zur Tunnelentwässerungsverhinderung betrafen jedoch konventionelle Entwässerungsmethoden. Obwohl dies im Vergleich zur vollständigen Schließung einen erheblichen Effekt auf die Reduzierung des Wasserdrucks außerhalb der Auskleidung hat, hat es nur einen signifikanten Druckreduzierungseffekt auf den Druck um die Tunnelbogenwand herum. Auf der Materialseite wurden Durchlässigkeitstests von entwässerten Geotextilfiltern in der Ebene durchgeführt, um deren Mechanismus der hydraulischen Verschlechterung in Tunneln zu bewerten24,25. Eine optimale Leichtschaummörtelmischung zur Förderung der Tunnelentwässerung wurde mit der Verbundauskleidungsmethode26 untersucht. Wasserdichte und atmungsaktive Materialien wurden auf Basis elektrogesponnener Nanofasern27 entwickelt. Hinsichtlich der Struktur wurde durch numerische Simulation und Tests in Innenräumen eine neue Entwässerungsstruktur mit konvexen Rumpfentwässerungsplatten vorgeschlagen28. Mithilfe der 3D-Drucktechnologie wurde ein Tunnelentwässerungssystem konstruiert und ein Simulationstest zur Verstopfung des Entwässerungssystems durchgeführt29. Es wurden drei Pläne zur Optimierung der Abdichtung und Entwässerung vorgeschlagen, bei denen die Platzierung eines zentralen Abflusses am Boden einer Sohle den größten Einfluss auf die Reduzierung des Wasserdrucks um 96 % hatte9. Es wurde eine Methode zur Entwässerung von Eisenbahntunneln von unten nach oben mit Druckreduzierung vorgeschlagen30. Ein neues Entwässerungsnetz wurde vorgeschlagen, um das Entwässerungsproblem von Gebirgstunneln zu lösen, die Bruchzonen mit hohem LWP durchqueren31. Sie untersuchten und analysierten die Wasserdichtigkeitsanforderungen und Baumaßnahmen verschiedener Spezialtunnel in China32,33,34. Die oben genannten Studien untersuchten das Problem des Tunnelwasserdrucks und verwendeten verschiedene Lösungen (einschließlich der Berechnung des externen Wasserdrucks, Optimierung von Tunnelabdichtungs- und Entwässerungssystemen, neue Technologien und Materialien usw.), berücksichtigten jedoch nicht, wie die Auswirkungen des Wasserdrucks wirksam gemindert werden können das Auskleidungsbauwerk am Tunnelhöhenbogen. Gleichzeitig wurden die Ursachen für den Anstieg des Wasserdrucks außerhalb des Tunnels analysiert, aber keiner von ihnen befasste sich mit der Frage, wie die Auswirkungen des Wasserdrucks am Tunnelhöhenbogen auf die Auskleidungsstruktur wirksam verringert werden könnten.

Basierend auf diesen Problemen wird in diesem Artikel ein neues Straßentunnelentwässerungskonzept der Drei-Wege-Entwässerung vorgeschlagen. Im Vergleich zu herkömmlichen Entwässerungssystemen für Straßentunnel verbessert dieses System die Eigenschaften herkömmlicher Entwässerungssysteme für Straßentunnel, indem am Höhenbogen ein Wasserauffanggebiet (wie das Kieselsandbecken in Abb. 3) eingerichtet wird. Nach dem Anschluss an den zentralen Abfluss über ein Rohr (mit einem Einweg-Ablassventil im Inneren) wird überschüssiges Wasser über die Druckdifferenz abgeführt. Dadurch kann der hohe Wasserdruck am Höhenbogen effektiv reduziert werden, ohne dass die umliegende ökologische Umwelt dadurch beeinträchtigt wird, dass durch die Wirkung des Einwegventils zu viel Wasser abgelassen wird.

Die Forschung in diesem Artikel ist wie folgt organisiert: Zunächst wird ein kurzer Überblick über die neuesten Fortschritte in der Forschung zur Verhinderung von Straßenentwässerungen gegeben. Anschließend wird ein detaillierter Entwurf des Druckentlastungssystems für die Tunnelauskleidungsstruktur eines Dreiwegeentwässerungssystems vorgestellt. Abschließend wird eine Reihe numerischer Simulationen durchgeführt, um die Druckreduzierungsleistung des Dreiwege-Entwässerungssystems zu überprüfen. Gleichzeitig werden einige wichtige Einflussfaktoren, die sich auf die Reduzierung des Entwässerungsdrucks in drei Richtungen auswirken, durch Änderung der hydraulischen Leitungskoeffizienten des umgebenden Gesteins und der anfänglichen Unterstützung, der Fallhöhe, der Anzahl der umgekehrten Wasserumleitungsöffnungen im hinteren Bogen usw. bewertet die hydraulischen Leitungsparameter der Sekundärauskleidung.

In diesem Abschnitt werden die Forschungsergebnisse zur Entwässerungsprävention in China und im Ausland kurz besprochen, mit dem Hauptzweck, die Neuheit der Forschung in diesem Artikel hervorzuheben.

Derzeit stammen die fortschrittlichsten Strategien zur Tunnelentwässerungsverhinderung, die in China und im Ausland eingesetzt werden, aus Europa, Japan, Schweden, Südkorea und anderen entwickelten Regionen oder Ländern. In den meisten Ländern werden wasserreiche Gebirgstunnel zur Reduzierung des äußeren Wasserdrucks in der Tunnelauskleidung unter Bedingungen ohne besondere Anforderungen trockengelegt. Die Struktur besteht aus einem Anschlussstück zwischen der ersten Stütze und der sekundären Auskleidung, einem kreisförmigen Entwässerungs-Blindrohr, einem Längs-Entwässerungs-Blindrohr, einem zentralen Entwässerungsgraben und einem Erdfall in einer Tiefe von 50 m (88 m). Was das Straßentunnelentwässerungssystem betrifft, liegt der Unterschied in der Richtung des Wasserabflusses am Höhenbogen und der unterschiedlichen Druckabbauleistung der bereits untersuchten vier Modelle, wie in Abb. 19,30,35 dargestellt:

Zur Entwässerung werden kreisförmige und längs verlaufende Entwässerungs-Blindrohre eingesetzt, über quer verlaufende Umleitungsrohre wird das Wasser in den zentralen Entwässerungsgraben eingeleitet. Das Querumleitungsrohr und der zentrale Entwässerungsgraben werden unterhalb des Straßenbetts verlegt und bilden ein vollständiges Entwässerungssystem (Abb. 1a).

Unterhalb der Tunnelauskleidung wird ein zentraler Entwässerungsgraben angelegt, an den für Entwässerungsarbeiten direkt das kreisförmige Entwässerungsblindrohr angeschlossen wird (Abb. 1b).

Auf der Grundlage von 1 wird das kreisförmige Blindrohr unterhalb des Höhenbogens verlängert, bevor es über den Umkehrabfluss mit dem zentralen Abfluss verbunden wird, um einen vollständigen Entwässerungspfad zu bilden. Um den zentralen Abfluss wird üblicherweise ein schützender Kieskopf gelegt, der gleichzeitig als Schmutzfilter dient (Abb. 1c).

Daher ist die Auskleidung vollständig geschlossen und lässt kein Wasser in den Tunnel fließen. Außerhalb des Körpers wird das Wasser aus dem Tunnel auf der Grundlage von 2 in Kombination mit dem seitlichen Umleitungsrohr in 1 abgeleitet, das das Wasser in einem zentralen Entwässerungsgraben unterhalb des Rückenbogens zusammenführt (Abb. 1d).

Es wurden vier verschiedene Modelle untersucht: (a) Entwässerungssystem A; (b) Entwässerungssystem B; (c) Entwässerungssystem C; und (d) Entwässerungssystem D.

Das derzeit in chinesischen Straßentunneln häufig verwendete Entwässerungssystem ist in Abb. 1 dargestellt. Die Abschnittsabmessungen sind in Abb. 2a dargestellt. Im Allgemeinen wird dieses Entwässerungssystem zwischen der sekundären Verkleidung und dem ersten Träger mit Ring- und Längsentwässerungs-Blindrohren sowie einer wasserdichten Schicht installiert, und der zentrale Entwässerungsgraben und das seitliche Umleitungsrohr werden unterhalb des Straßenbetts verlegt. Das Wasser rund um den Tunnel wird durch die Entwässerungsrohre geleitet und durch die seitlichen Entwässerungsrohre im zentralen Entwässerungsgraben gesammelt. Der Abstand zwischen den Entwässerungsrohren im Projekt und dem umgebenden Gesteinsgehalt, die Menge an wasserreichem Gestein und die Höhe des Kopfes stehen in einem bestimmten Verhältnis, und der allgemeine Längsabstand zwischen den kreisförmigen Entwässerungs-Blindrohren beträgt etwa 6 bis 10 m .

(a) Querschnittsgröße der Auskleidungsstruktur; (b) Häufig verwendete Anti-Drainage-Systeme in chinesischen Straßentunneln.

Das Obige zeigt die Entwässerung des Tunnel-Anti-Entwässerungsbocks, unabhängig davon, welche Entwässerung die Sicherheit und Lebensdauer des Tunnels schützen soll, weist jedoch häufig bestimmte Mängel auf. Beispielsweise verwenden chinesische Straßentunnel in Abb. 2 üblicherweise ein Entwässerungssystem, das einfach zu implementieren ist, aber möglicherweise nicht in der Lage ist, das Wasser aus der Höhenbogenposition des Tunnels abzuleiten. Wenn es nicht regnet, kann die Sicherheit des Tunnels gewährleistet werden, aber im Falle relativ hoher Niederschläge oder eines längeren Betriebs der Tunnelröhre, der zu Kristallisation führt, kann es sein, dass die Entwässerung nicht rechtzeitig erfolgt, was zu Schäden an der Tunnelauskleidung führt Dies wirkt sich letztendlich auf die Lebensdauer des Tunnels aus. Wie in Abb. 1c und d dargestellt, befindet sich der zentrale Entwässerungsgraben unterhalb des Höhenbogens des Tunnels. Obwohl es das Problem des hohen Wasserdrucks am Höhenbogen des Tunnels wirksam lösen kann, kann es die Menge des Grundwasserabflusses nicht kontrollieren. Dies führt dazu, dass sich zu viel Abfluss negativ auf die umgebende Umwelt auswirkt. Dies wird sich auch auf den Bau des Tunnels auswirken und zu einem enormen Erd- und Felsaushub führen, der sich nicht nur auf die Bauzeit auswirkt, sondern auch die wirtschaftlichen Investitionen des Projekts erhöht. In Abb. 1b ist bei dieser Konstruktion zwar ein umgekehrter Abfluss vorgesehen, der Rohrkopf ist jedoch nicht geschützt. Bei erhöhtem Betrieb kommt es zur Kristallisation oder Verstopfung von Fremdkörpern, was zu einer Verringerung des Ablaufvolumens und damit zu einem Anstieg des Wasserdrucks am Höhenbogen führt. Dies ist auf Dauer schädlich für die Tunnelauskleidung. Um die oben genannten Probleme zu lösen, wird die folgende Diskussion und Analyse der Kerninhalte dieses Papiers durchgeführt.

In diesem Artikel wird ein Dreiwege-Entwässerungs- und Druckentlastungssystem für chinesische Autobahntunnel untersucht, das aus vier Hauptkomponenten besteht: ① einem kreisförmigen Entwässerungssystem; ② ein Längsentwässerungssystem; ③ ein umgekehrtes Entwässerungsrohr für den Hochbogen; und ④ ein Querumleitungsrohr und ein zentraler Entwässerungsgraben. Unter diesen erreichen der Ring, das Längsdrainage-Blindrohr und das neu hinzugefügte Rückendrainagebogen-Reverse-Drainagerohr in diesem Artikel drei Entwässerungsrichtungen und werden als Drei-Wege-Drainage-Druckreduzierungssystem (im Folgenden als Drei-Wege-Drainagesystem bezeichnet) bezeichnet ). Einzelheiten zum Aufbau sind in der Abbildung dargestellt.

Umfangsentwässerungssystem: Das Umfangsentwässerungssystem befindet sich zwischen der ersten Stütze und der Sekundärauskleidung des Tunnels und ist dafür verantwortlich, den Wasserfluss um den Tunnel herum zu leiten, um Wasser abzuleiten, wie in Abb. 3 dargestellt.

Längsentwässerungssystem: Das Längsentwässerungssystem ist dafür verantwortlich, das vom kreisförmigen Entwässerungssystem nach unten geleitete Wasser sowie das nach unten versickernde Randwasser zu sammeln und das Wasser dann über das horizontale Umleitungsrohr zum zentralen Entwässerungsgraben zu leiten.

Reverse-Drainage-Rohr für den Rückenbogen: Das Reverse-Drainagesystem für den Rückenbogen besteht aus einem Sandteich (grober Sand und Geröll). Außerhalb der Tunnelauskleidung sind ein Einweg-Entwässerungsventilsatz36 (Bgha B, Hui LA et al. 2020) und ein umgekehrtes Entwässerungsrohr an den zentralen Entwässerungsgraben angeschlossen, der schließlich den hohen Wasserdruck am Rückenbogen ausführt den Tunnel durch den zentralen Entwässerungsgraben während der Hochwassersaison (siehe Abb. 6).

Querumleitungsrohr und zentraler Entwässerungsgraben: Das horizontale Umleitungsrohr und der zentrale Entwässerungsgraben sind hauptsächlich dafür verantwortlich, das von der Dreiwegeentwässerung gesammelte Wasser aus dem Tunnel abzuleiten, um den Wasserdruck außerhalb der Tunnelauskleidung zu reduzieren.

Anordnung der Struktur eines Dreiwege-Entwässerungssystems.

Die strukturellen Unterschiede zwischen dem herkömmlichen Entwässerungssystem für Straßentunnel in wasserreichen Gebieten (Abb. 2) und dem neuen Konzeptentwässerungssystem für die Dreiwegeentwässerung (Abb. 3) werden verglichen. Das sogenannte Drei-Wege-Entwässerungssystem nutzt den hohen Wasserdruck am Höhenbogen, um das Hochdruckwasser aus dem Tunnel über das Sammelsandbecken und das Rücklaufrohr abzuleiten und so eine Druckreduzierung im Höhenbogen des Tunnels zu erreichen Tunnel. Der hohe Wasserdruck am Boden des erhöhten Bogens in Abb. 4 lässt das Wasser aufgrund der Druckdifferenz abfließen. Das Einwegventil verhindert einen Wasserstau und läuft erst dann ab, wenn am Höhenbogen ein ausreichender Auslegungsdruck erreicht ist. Zudem hat der Sandteich eine schützende Wirkung auf den Wasserzulauf, was die Lebensdauer erhöht. Während der Trockenzeit wird der Abfluss durch das Abflussrückschlagventil blockiert, damit das Grundwasser nicht übermäßig in das wasserreiche Gebiet abfließt. Um das Prinzip der Tunnelentwässerungsverhinderung „hauptsächlich blockieren, begrenzte Entladung“ zu erfüllen, kann verhindert werden, dass der Sedimentrückfluss die Struktur blockiert. Zu diesem Konzept liegen derzeit ähnliche Studien vor30. Obwohl diese Studie auch dazu dient, den hohen Wasserdruck am Höhenbogen zu reduzieren, dient sie hauptsächlich Eisenbahntunneln und die Studienstruktur ist relativ komplex.

Entwässerungsmechanismen des Drei-Wege-Entwässerungssystems.

Da in diesem Artikel ein neues Entwässerungssystem vorgeschlagen wird, für das es in der Technik derzeit keinen Fall gibt, wird zur Untersuchung eine numerische Simulation verwendet. In diesem Abschnitt wird die Machbarkeit des Drei-Wege-Entwässerungssystemkonzepts durch numerische Simulation mit der Midas gtsNX-Software untersucht. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das Drei-Wege-Entwässerungskonzept nicht nur den Gesamtwasserdruck der Tunnelauskleidungsstruktur, sondern auch den Wasserdruck am Höhenbogen wirksam reduzieren kann. Nachfolgend wird eine detaillierte Analyse vorgestellt. Die Berechnung des Wasserdrucks außerhalb der Auskleidung basiert hauptsächlich auf der Theorie der Brunnenströmung in unendlichen Grundwasserleitern und dem Darcy-Gesetz.

Um die Leistung des Drei-Wege-Entwässerungssystems in Bezug auf den Wasserdruckabfall am Höhenbogen des Tunnels zu untersuchen, wird in diesem Artikel eine Finite-Elemente-Software verwendet, um das Drei-Wege-Entwässerungssystem und das herkömmliche Entwässerungssystem für eine vergleichende Analyse und Überprüfung zu simulieren.

Die Modellsimulation basiert auf dem Tongzi-Tunnel, einem im Bau befindlichen Mega-Hochgeschwindigkeitstunnel in Guizhou, China, als Referenz. Der geschätzte tägliche Wasserzufluss in diesem Tunnel beträgt 192.281 m3/Tag, mit einem durchschnittlichen Niederschlag von 1037,3 mm pro Jahr, einem maximalen Jahresniederschlag von 1374 mm und einem maximalen Tagesniederschlag von 173,3 mm, und die Karstsenken in der Gegend sind größtenteils erschlossen im Tunneleingang und im Höhlenabschnitt. Der Grundwasserspiegel an der Spitze des Tunnelgewölbes beträgt 70 m, die Fallhöhe wird oben angelegt. Die Modellgröße von Länge × Breite × Höhe = 180 × 40 × 100 m. Der Umfang wird als größer als 3 mal der Lochdurchmesser angenommen, um den Randeffekt zu eliminieren. Das Netzmodell und die Strukturdetails sind in Abb. 5 dargestellt. Alle Teile des Modells werden mithilfe von Volumeneinheiten simuliert. Das vorliegende Modell geht von folgenden Annahmen aus: Das umgebende Gestein wird mit dem Mohr-Coulomb-Hauptstrukturmodell simuliert, und die anfängliche Stütze, die sekundäre Auskleidungsstruktur und das Entwässerungsverhinderungssystem werden mit dem elastischen Modell simuliert. Das Modell ist immer vollständig gesättigt und der Knotendruck wird im Entwässerungslochbereich auf 0 gesetzt, um eine Entwässerung zu simulieren. Um die Berechnung zu erleichtern, verwendet das Entwässerungssystem in einem tatsächlichen Projekt üblicherweise einen PVC-Rohrdurchmesser als Referenzbasis. Die Modellierung entspricht einer quadratischen Struktur von 89 × 89 × 89 mm nach dem Gleichstromprinzip. Die spezifischen Parameter des Materials sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.

Einzelheiten des Netzmodells und der Entwässerungsstruktur sowie die Anordnung der Überwachungspunkte: (a) Dreidimensionales Simulationsmodell; (b) Konventionelle und Drei-Wege-Entwässerungsstruktur; (c) Überwachung von Layoutpunkten.

Um die Leistung des Drei-Wege-Entwässerungssystems zu überprüfen, wurde eine vergleichende Analyse des vollständig geschlossenen, nicht entwässerten konventionellen Entwässerungssystems und des Drei-Wege-Entwässerungssystems durchgeführt und auf der Grundlage der Werte des vollständig geschlossenen, nicht entwässerten Systems normalisiert. Zur Analyse wurden der Entwässerungsquerschnitt und der Nichtentwässerungsquerschnitt des kreisförmigen Tunnelüberwachungsabschnitts (C1 bis C10) extrahiert. Abbildung 6a zeigt die Wasserdruckverteilung im Entwässerungsabschnitt der Sekundärauskleidung und (b) die Wasserdruckverteilung im Nichtentwässerungsabschnitt der Sekundärauskleidung. Gemäß Abb. 6b und c lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen.

Das Hüllkurvendiagramm des externen Wasserdrucks sollte wie folgt aufgeführt sein: (a) Überwachungsabschnitt; (b) Wasserdruck im Entwässerungsabschnitt; (c) Wasserdruck im Entwässerungsabschnitt.

Im Vergleich zu einem vollständig geschlossenen, nicht entwässerten System mit einem externen Wasserdruck von 1 MPa reduziert ein herkömmliches Entwässerungssystem mit einem externen Wasserdruck von 0,58 MPa den Wasserdruck außerhalb der Auskleidung im Abschnitt über dem Längsdrainagerohr effektiv um etwa 58 %. Bei den Messpunkten C1 bis C7 ist der Effekt der Druckreduzierung deutlicher zu erkennen, wenn die Entwässerungskapazität des Entwässerungssystems voll entwickelt ist. Ein herkömmliches Drainagesystem verfügt jedoch nicht über einen Drainageauslass an der Unterseite des Rückenbogens. Die Messpunkte C8 bis C10 zeigen, dass der Wasserdruck um den Höhenbogen um weniger als 20 % reduziert ist. Daher ist die Leistung herkömmlicher Entwässerungssysteme in chinesischen Straßentunneln hinsichtlich der Druckentlastung am Höhenbogen des Tunnels derzeit noch unzureichend. Ein solcher hoher Wasserdruck, der sich am Höhenbogen ansammelt, kann bei starkem oder anhaltendem Regen die Struktur des Tunnelhöhenbogens sehr anfällig für die Gefahr eines hohen Wasserdrucks machen und so die Lebensdauer des Tunnels verkürzen. In der Studie wurde jedoch festgestellt, dass die Verwendung einer umgekehrten Entwässerung des erhöhten Bogens das Auftreten solcher Situationen wirksam reduzieren konnte. Das Prinzip besteht darin, den Druckunterschied zu nutzen, um das Wasser aus dem Tunnel von unterhalb des erhöhten Bogens umzuleiten. Das Konzept der „Drei-Wege-Entwässerung“ in diesem Artikel basiert hauptsächlich auf dem Konzept, dass Druckunterschiede dazu führen können, dass Wasser in die entgegengesetzte Richtung fließt, wodurch das Wasser unter natürlichem Druck effektiv abfließen kann. Dadurch wird auch ein übermäßiger Wasserabfluss verhindert, was sich positiv auf die umliegende ökologische Umwelt auswirkt.

Aus den Ergebnissen der numerischen Simulation (b) geht hervor, dass die Druckreduzierungsleistung des Dreiwege-Entwässerungssystems am Höhenbogen etwa siebenmal so hoch ist wie die des herkömmlichen Entwässerungssystems, und die externen Wasserdrücke der beiden betragen 0,09 MPa und 0,68 MPa jeweils. Der Wasserdruck am Hochbogen wird deutlich reduziert. Aus (c) ist nicht schwer zu erkennen, dass es auch einen gewissen Effekt auf die Gesamtdruckreduzierung der Tunnelstruktur gibt. Die Druckreduzierungskapazität des Nichtentwässerungsabschnitts wird ebenfalls erhöht, und die Druckreduzierungswirkung am erhöhten Bogen ist etwa 57 % höher als die herkömmliche Wirkung. In der obigen numerischen Simulation wurden die Druckreduzierungsleistung und die Machbarkeit des „Drei-Wege-Entwässerungssystems“ überprüft. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass der Wasserdruck stark reduziert wird, nachdem die umgekehrten Entwässerungslöcher in den Höhenbögen C8 und C9 angebracht wurden.

Die folgenden Schlussfolgerungen können aus Abb. 7 gezogen werden, in der (c) bis (h) die multiplikativen Beziehungen der Anzahl der umgekehrten Drainagelöcher im Rückenbogen für die Drei-Wege-Drainage zeigen. Im obigen Wolkendiagramm ist zu erkennen, dass sich die Sekundärauskleidung im vollständig geschlossenen Zustand von Abb. 7a in einem Zustand hydrostatischen Drucks befindet und der äußere Wasserdruck sehr hoch ist. In Abb. 7b wird bei der herkömmlichen Entwässerungsmethode der äußere Wasserdruck um ca. 30 % reduziert. Allerdings ist der erhöhte Bogen immer noch einem hohen äußeren Wasserdruck ausgesetzt, was für den Langzeitbetrieb unsicher ist. Für das Drei-Wege-Entwässerungssystem ist es offensichtlich, dass eine größere Anzahl umgekehrter Entwässerungslöcher am Höhenbogen vorteilhafter ist, wenn die Anzahl der umgekehrten Entwässerungslöcher gemäß der vorherigen multiplikativen Beziehung von 2 auf 32 erhöht wird zur Reduzierung des Höhengewölbedrucks. Damit dieses Dokument jedoch für spätere Projekte konzipiert werden kann, sollte eine angemessene und wirtschaftliche Anzahl von Rücklauflöchern ermittelt werden. Wenn die Anzahl der umgekehrten Entwässerungslöcher von 8 auf 16 erhöht wird, kommt es zu einem Rückgang von etwa 12 %, und die Druckreduzierungsrate ist zu diesem Zeitpunkt am höchsten. In Abb. 7h gibt es unendlich viele umgekehrte Entwässerungslöcher, obwohl der Effekt der Druckreduzierung erheblich ist. Allerdings ist dies für die Gesamtstruktur des Tunnels nicht sicher, daher wird empfohlen, alle 40 m langen Abschnitte 16 umgekehrte Entwässerungslöcher einzurichten.

Externe Wasserdruckwolke der Sekundärauskleidung: (a) Keine Entwässerung; (b) Konventionelle Entwässerung; (c) 2 umgekehrte Abflüsse; (d) 4 umgekehrte Abflüsse; (e) 8 umgekehrte Abflüsse; (f) 16 umgekehrte Abflüsse; (g) 32 Umkehrabläufe; (h) Rückwärtsablauf.

Generell wurde die Machbarkeit des neuen Entwässerungskonzepts der Dreiwegeentwässerung überprüft. Darüber hinaus kann die umgekehrte Entwässerung des Hochbogens den Tunnel in der Hochwassersaison bei hohem Druck schützen und Druckunterschiede nutzen, um das Wasser automatisch abzuleiten. Das Zurückhalten der Wasserressourcen bei trockenem Wetter hat keine wesentlichen Auswirkungen auf das umgebende Ökosystem.

In diesem Abschnitt wird die Leistung des Drei-Wege-Entwässerungssystems durch numerische Simulationsparameter untersucht, die die Parameter der hydraulischen Leitfähigkeit des umgebenden Gesteins, der Fallhöhe, der anfänglichen Unterstützung und der sekundären Auskleidung variieren.

Der folgende Artikel stellt eine numerische Simulationsstudie vor, bei der die Drei-Wege-Entwässerung unter verschiedenen Parametern analysiert wird. Die Untersuchung der Leistung des Drei-Wege-Drainagebocks wurde durch Änderung der Parameter durchgeführt. Die folgende Diskussion erfolgt unter der Voraussetzung, dass die Entwässerung sowohl völlig normal als auch völlig symmetrisch ist. Der hydraulische Leitfähigkeitskoeffizient und die Kopfhöhe des IV-Gehäuses, der Sekundärauskleidung und der anfänglichen Unterstützung werden unter den Bedingungen von Tabelle 1 geändert, und die spezifischen Parameter werden wie in Tabelle 2 gezeigt geändert.

Für die numerische Berechnung wird zunächst eine Variable als Festwert ausgewählt. Analytische Berechnungen werden durch Änderung anderer physikalischer Parameter durchgeführt. Beispielsweise bleibt die hydraulische Leitfähigkeit der sekundären Auskleidung 1,3×10−11 in Tabelle 1 unverändert, und die hydraulische Leitfähigkeit der anderen Parameter IV, die das Gestein und die anfängliche Unterstützung umgeben, erhöht sich um das 1- bis 10-fache. Da es zu viele Kombinationen gibt, werden nur Auftragsänderungen berücksichtigt. Die Förderhöhe erhöht sich von 25 m in Schritten von 5 m auf eine Förderhöhe von 70 m. Um den Unterschied in den Ergebniskurven zu erkennen, nimmt die hydraulische Leitfähigkeit der Sekundärauskleidung zwei feste Werte von 1,3×10−8 und 1,3×10−11 als hohe bzw. niedrige hydraulische Leitfähigkeit zur Analyse an, die als SLH1 und bezeichnet werden SLH2 im Folgenden.

Die Anzahl der Dreiwege-Entwässerungsrohre steigt weiter von 1, 2, …, ∞; Das heißt, die Anzahl der umgekehrten Entwässerungsrohre des erhöhten Bogens nimmt von 1 weiter zu, um eine Senke zu bilden, die ∞ ist. Da dies nicht oft modelliert werden konnte, wurden für die Simulation nur 10 Werte ausgewählt. Dies liegt daran, dass ein solcher Wert in diesem Rechenmodell bereits sehr intensiv ist.

Die Berechnungen in diesem Abschnitt stimmen alle mit Tabelle 2 für die Analyse der Größenwerte des Wasserdrucks überein, der sich auf die Sekundärauskleidung im Außenbereich auswirkt. Für die Ergebnisse wurden die Messpunkte C8 und C9 mit Sonderdarstellung herangezogen und mit den oben analysierten vollständig geschlossenen und konventionellen Entwässerungssystemen verglichen. Die folgenden aufgezeichneten Ergebnisse werden auf die vollständig umschlossenen Ergebnisse ohne Entwässerung normalisiert. Nach der Änderung einer Bedingung entsprechen die anderen Bedingungen den Anfangswerten in Tabelle 1.

Die Auswirkung des hydraulischen Leitfähigkeitskoeffizienten des umgebenden Gesteins IV auf den Wasserdruck außerhalb der Sekundärauskleidung unter der Bedingung, dass sich der Grad des umgebenden Gesteins nicht ändert, ist in Abb. 8 dargestellt.

Hydraulischer Leitungskoeffizient IV des umgebenden Gesteins auf die Auswirkung des Wasserdrucks außerhalb der Sekundärauskleidung.

In Abb. 8 ist zu sehen, dass die hydraulische Leitfähigkeit der IV-Hülle langsam vom 0,1-, 0,2-, ..., 1-, 2-fachen auf das 10-fache ansteigt, wenn der äußere Wasserdruck der Sekundärauskleidung zunimmt. Der Wachstumstrend reicht von einem schnellen Anstieg bis zu einem stetigen Anstieg. Die Ergebnisse zeigen, dass die hydraulische Leitfähigkeit des umgebenden Gesteins den gesamten äußeren Wasserdruck der Sekundärauskleidung erhöht, die hohe Durchlässigkeit der Sekundärauskleidung jedoch den Wasserdruck wirksam reduzieren kann. Im Vergleich zur herkömmlichen Entwässerung wird der Wasserdruck des Drei-Wege-Entwässerungshöhenbogens im hydraulischen Leitfähigkeitskoeffizienten des umgebenden Gesteins in der 6- bis 10-fachen Größe des Wasserdrucks bei etwa dem 0,65-fachen gehalten. Daher kann der Drei-Wege-Entwässerungsmodus den äußeren Wasserdruck am Höhenbogen des Tunnels wirksam reduzieren. Wenn die hydraulische Leitfähigkeit der Sekundärauskleidung um das Hundertfache erhöht wird, ist der Unterschied im Wasserdruckverhältnis bei C8 und C9 nicht zu groß.

Abbildung 9 zeigt, dass der anfängliche hydraulische Leitfähigkeitskoeffizient zunimmt und der Wasserdruck außerhalb der sekundären Auskleidung des Dreiwege-Entwässerungssystems langsam zunimmt und sich schließlich stabilisiert. Bei herkömmlichen Entwässerungssystemen nimmt die numerische Lösung des Wasserdrucks außerhalb der Sekundärauskleidung langsam ab und stabilisiert sich schließlich. Aus den Ergebnissen beider ergibt sich ein äußerst ungünstiger Wert für den anfänglichen hydraulischen Leitfähigkeitskoeffizienten. Daher wird der äußere Wasserdruck der Sekundärauskleidung einen maximalen Spitzenwert aufweisen. Ab diesem Maximalwert nimmt der Wasserdruck in der Sekundärauskleidung tendenziell ab, allerdings nur in einem geringen Schwankungsbereich.

Einfluss des hydraulischen Leitfähigkeitskoeffizienten der Erstauflage auf den Wasserdruck außerhalb der Sekundärauskleidung.

Wie in Abb. 10 dargestellt, wird die Entwässerungskapazität durch eine Änderung der Anzahl der umgekehrten Entwässerungslöcher im Hochbogen verbessert. Die numerische Studie ergab, dass der äußere Wasserdruck der Sekundärauskleidung mit zunehmender Rückflussöffnung des Hochbogens regelmäßig abnahm. Wenn sich die Anzahl der Entwässerungslöcher von einem Punkt zu einer Linie ändert, wird die Geschwindigkeit der Wasserdruckreduzierung zunehmend langsamer und die Kurve wird schließlich flacher. Das heißt, wenn die Anzahl der Entwässerungslöcher langsam auf ein sehr dichtes Niveau ansteigt, kommt es nicht mehr zu einem signifikanten Anstieg des äußeren Wasserdrucks der Sekundärauskleidung. Dies zeigt, dass am Höhenbogen eine optimale Anzahl an Entwässerungslöchern für die Drei-Wege-Entwässerung vorhanden ist. Wenn in diesem Dokument beispielsweise die Auskleidungslänge 40 m beträgt, wird die Anzahl der 16 umgekehrten Entwässerungslöcher des erhöhten Bogens so eingestellt, dass sie den optimalen Wert erreicht. Gleichzeitig kann die Drei-Wege-Entwässerungsmethode im Vergleich zur herkömmlichen Entwässerung auch den gesamten äußeren Wasserdruck des Hochgewölbes und der Sekundärauskleidung wirksam reduzieren.

Die Auswirkung der Anzahl der umgekehrten Entwässerungslöcher am Höhenbogen auf den Wasserdruck außerhalb der Sekundärauskleidung.

Andere Anfangsbedingungen bleiben unverändert, und die Änderung der Kopfhöhe auf der Sekundärauskleidung außerhalb des Wasserdruckeinflussgesetzes ist in Abb. 11 dargestellt. Es ist nicht schwer herauszufinden, dass mit der Erhöhung der Kopfhöhe der äußere Wasserdruck der Sekundärauskleidung zunimmt ist grundsätzlich unverändert. Dies deutet darauf hin, dass mit zunehmender Förderhöhe und steigendem Wasserdruck auch die Größe des abgelassenen Wasserstroms von Jahr zu Jahr zunimmt. Da hier nur die höchste Fallhöhe von 70 m analysiert wird, unterscheidet sich dies von tief vergrabenen Tunneln. Daher hat die Erhöhung der Fallhöhe nur geringe Auswirkungen auf den äußeren Wasserdruck der Sekundärauskleidung bei Grundstücken, bei denen die Versenkungstiefe nicht groß ist. Im Vergleich zur herkömmlichen Entwässerung ist die Wasserdruckreduzierung nach der Installation des umgekehrten Umleitungseinlasses des Hochbogens für die Drei-Wege-Entwässerung jedoch erheblich und beträgt nur das 0,43-fache der herkömmlichen Entwässerung. Bei unterschiedlichen hydraulischen Leitfähigkeitskoeffizienten für die Sekundärauskleidung ist es nicht schwer festzustellen, dass der Unterschied zwischen den beiden unter der Bedingung des 100-fachen Multiplikators nicht groß ist, was darauf hindeutet, dass dies kein wesentlicher Faktor ist.

Unterschiedliche Förderhöhen am Sekundärbelag außerhalb der Wasserdruckwirkung.

Um die durch hohen Wasserdruck in den Höhenbögen von Autobahntunneln in China verursachten Schadensprobleme effizient und wirtschaftlich zu lösen, schlägt dieser Artikel ein neues Entwässerungskonzept der „Drei-Wege-Entwässerung“ vor, das sich als wirksam bei der Reduzierung des Hochwassers erwiesen hat Druck am Höhenbogen des Tunnels. In einer numerischen Simulation werden die Entwässerungs- und Dekompressionseigenschaften des Dreiwegeentwässerungssystems auf der Tunnelauskleidung analysiert. Die wichtigsten Erkenntnisse lauten wie folgt:

Das Drei-Wege-Drainagesystem fügt dem erhöhten Bogen eine umgekehrte Drainagestruktur (mit einem Einwegventilsatz) hinzu, was theoretisch machbar ist. Dadurch kann der äußere Wasserdruck am Höhenbogen des Tunnels sowie der Wasserdruck der gesamten Auskleidungsstruktur wirksam reduziert werden.

Der äußere Wasserdruck der Tunnelsekundärauskleidung steht in gewissem Zusammenhang mit der hydraulischen Leitfähigkeit des umgebenden Gesteins, was einen synchronen Wachstumstrend zeigt.

Für die numerischen Ergebnisse der Drei-Wege-Entwässerung in dieser Arbeit hat die Erhöhung der hydraulischen Leitfähigkeit der anfänglichen Stützung nur geringe Auswirkungen auf die Änderung des Wasserdrucks in der sekundären Auskleidung. Die Änderung des Kraftübertragungskoeffizienten führt zu einem Spitzenwert des externen Wasserdrucks der Sekundärauskleidung, wodurch sich der Wasserdruck der Sekundärauskleidung einzupendeln beginnt.

Durch die Erhöhung der Förderhöhe steigt das Wasserdruckverhältnis außerhalb der Sekundärauskleidung linear an. Daher müssen in einer Umgebung mit großer Fallhöhe sowohl das Tunnelentwässerungsverhinderungssystem als auch die Auskleidungsstruktur die Designanforderungen verbessern.

Das Drei-Wege-Entwässerungssystem in diesem Artikel hat sich als machbar erwiesen. Es wird derzeit nicht in der Praxis eingesetzt und befindet sich noch im Stadium der theoretischen Analyse. Es werden Indoor-Modelltests durchgeführt, um eine sinnvolle und wirtschaftliche Entwässerungsmethode für Straßentunnel bereitzustellen, und tatsächliche Ingenieurserfahrungen werden genutzt, um die Entwässerungs- und Druckreduzierungsleistung des Dreiwege-Entwässerungssystems zu überprüfen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken Herrn Wenrong Ma von der China Railway Eighth Engineering Group Third Engineering Co., Ltd. und Herrn Xiaoyong He von der China Railway Development Investment Group Co., Ltd. für ihre wertvollen Kommentare und Unterstützung.

Diese Arbeit wurde vom Wissenschafts- und Technologieplanungsprojekt der Provinz Guizhou (dem Qiankehe-Großsonderprojekt [2018] 3011, dem Qiankehe-Grundprojekt ZK [2022] Allgemeinprojekt 082 und dem Qiankehe-Grundprojekt [2019] Nr. 1057) unterstützt. das technische Forschungsprojekt der Phase I der U-Bahn-Linie 3 in Guiyang (Projekt-Nr. GD3-FW-YJ-05-2020-13-ZB) und das regionale First-Class-Discipline-Construction-Projekt in der Provinz Guizhou (QYNYL [2017] 0013).

Hochschule für Bauingenieurwesen, Universität Guizhou, Guiyang, 550025, China

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

Schlüssellabor der Provinz Guizhou für Fels- und Bodenmechanik und technische Sicherheit, Guiyang, 550025, China

Yuanming Liu

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ZT schrieb den Haupttext des Manuskripts; Yu.L. und YZ vorbereitete Abb. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 und 11, Yi.L. und SM bereiteten die Tabellen 1 und 2 vor, und BD und GH bereiteten die numerische Softwaremodellierung vor. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yuanming Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Teng, Z., Liu, Y., Mei, S. et al. FEM-Analyse eines neuen Dreiwege-Entwässerungs- und Druckreduziersystems für Straßentunnel. Sci Rep 13, 10850 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37417-1

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Eingegangen: 07. April 2023

Angenommen: 21. Juni 2023

Veröffentlicht: 05. Juli 2023

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

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