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Jul 01, 2023

Studie zum Entwässerungsmodus und Anti

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5354 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Da der Bau und die Rückhaltung von Tunneln zugenommen haben, sind herkömmliche Abdichtungs- und Entwässerungssysteme nicht mehr in der Lage, die Anforderungen von Tunneln in Gebieten mit starken Regenfällen zu erfüllen, und es kommt häufig zu Katastrophen wie Rissen in der Tunnelauskleidung, Undichtigkeiten und sogar zum Einsturz. Um den sicheren Betrieb und die Wartung von Tunneln zu gewährleisten, analysiert dieser Artikel die Eigenschaften des traditionellen Abdichtungs- und Entwässerungssystems und schlägt durch numerische Simulation und Tests in Innenräumen eine neue Entwässerungsstruktur vor. Diese Struktur entfernt das kreisförmige Entwässerungs-Blindrohr und fügt eine konvexe Schalenentwässerungsplatte zwischen der wasserdichten Platte und der Sekundärauskleidung ein. Die Untersuchung zeigt, dass das neue Entwässerungssystem den Wasserdruck im leicht verstopften Bereich der Entwässerungsstruktur erheblich verringert. Mit dem speziellen Oberflächenabflussmodell kann der äußere Wasserdruck der Auskleidung weit entfernt vom blockierten Bereich schnell wieder auf das normale Niveau sinken. Darüber hinaus ist die Entwässerungskapazität verschiedener Abdichtungs- und Entwässerungsplatten unterschiedlich. Mit zunehmendem Stützdruck nimmt die Entwässerungsleistung ab; Das Geotextil nimmt am stärksten ab, gefolgt von der Kapillardrainageplatte und der konvexen Schalendrainageplatte. Gleichzeitig wurde nach dem Schlammwasser-Drainagetest der drei Materialien festgestellt, dass die Drainageplatte vom konvexen Schalentyp die beste Anti-Schlamm-Leistung aufweist. Die Forschung in diesem Artikel bietet einen nützlichen Ansatz für die Gestaltung der Abdichtungs- und Entwässerungsstruktur eines wasserreichen Karsttunnels und bietet eine Garantie für den sicheren Betrieb und die Wartung des Tunnels.

Mit dem Bau von immer mehr Karsttunneln ist das Problem der Tunnelleckage für unzählige Tunnelbauer zu einem großen Problem geworden. Das Austreten von Tunnelwasser führt zu Auskleidungskorrosion, Gleis- und Teilekorrosion, Sieden des Tunnelbettschlamms und anderen Phänomenen. Diese verschlechtern die Betriebsbedingungen im Tunnel und gefährden die Haltbarkeit der Tunnelkonstruktion. Beispiele hierfür sind der Gaotian-Tunnel der Guiyang-Guangzhou-Eisenbahn, der Hongqiao-Tunnel der Wuhan-Guangzhou-Eisenbahn und der kleine Bergtunnel der Shanghai-Kunming-Eisenbahn. Auf der Kunming-Nanjiang-Eisenbahn und an anderen Orten kam es zu Verformungen des umgekehrten Bogens und Schäden durch hohen Wasserdruck, die zu schweren wirtschaftlichen Verlusten führten. Ob im Bau- oder Betriebsablauf: Die Aufbereitung des Tunnelgrundwassers ist eines der wichtigsten Themen für die Bausicherheit in Karstgebieten. Eine große Anzahl von Wissenschaftlern hat einschlägige Forschungen zu diesem Thema durchgeführt.

Im Rahmen theoretischer Berechnungen wurde die Leckfeldverteilung in einem tief vergrabenen Tunnel mit hoher Förderhöhe mithilfe der Analysemethode ermittelt1. Basierend auf Harrs klassischer Lösung eines nicht ausgekleideten Tunnels in Kombination mit der tatsächlichen hydrologischen Umgebung (wobei das umgebende Gestein, der Vergussring und die Auskleidung als Gesamtsystem betrachtet werden) wurde die Wasserdruckgleichung für das Sickerfeld abgeleitet2. Verglich verschiedene analytische und numerische Lösungen und bewies die Zuverlässigkeit der analytischen Lösung3. Vorschlag einer halbtheoretischen Analysemethode zur Berechnung der Versickerung4. Durch theoretische Analysen, Innentests und Feldmessungen wurden die Strukturform und das kontrollierbare Entwässerungsschema vorgeschlagen, die für einen Tunnel mit hohem Wasserstand geeignet sind5. Es wurde ein maßstabsgetreues Modell erstellt und die Ergebnisse zeigten, dass die PWW-Methode den Wasserdruck und die Belastung der Auskleidung im Entwässerungszustand reduzieren kann, während unter der Bedingung der freien Entwässerung die Auskleidungsbelastung mit der PWW-Methode um etwa 30 % reduziert werden kann6. 7. Ein dreidimensionales numerisches Modell wurde erstellt und es wurde festgestellt, dass der Wasserdruck im Tunnelgewölbe niedrig und der Wasserdruck im umgekehrten Bogen hoch war. Bei wasserreichen Karsttunneln kam es im Halbumhüllungs- und Halbentwässerungsmodus leicht zu Rissen in der Mitte des umgekehrten Bogens7. Untersuchte das Entwicklungsgesetz des Auskleidungswasserdrucks unter der Wirkung des dynamischen Wasserdrucks, schlug ein optimiertes Entwässerungsschema zur Reduzierung des Wasserdrucks im umgekehrten Bogen vor und analysierte die Wirkung von Wasserverhinderung und Entwässerung8. Am Beispiel des Gongbei-Tunnels wurde eine analytische Lösung vorgeschlagen, um die effektive Spannung zu berechnen, die durch Sickerwasser um einen Flachwassertunnel in einer elastischen Halbebene verursacht wird. Der hohe Wasserdruck, der sich hinter der Auskleidung ansammelt, ist die Hauptursache für Wasserdruckkatastrophen. Um die Wasserdruckverteilung hinter der Auskleidung9 zu bestimmen, wurde die analytische Formel für den Wasserdruck der umgebenden Gesteinsinjektionsauskleidung und die Beziehung zwischen dem Auskleidungswasserdruck und dem Permeabilitätskoeffizienten mithilfe der achsensymmetrischen Analysemethode10,11 abgeleitet. Basierend auf der konformen Transformationsmethode wurde die Berechnungsformel des Wasserdrucks auf eine kreisförmige Tunnelauskleidung unter einem stationären Versickerungszustand abgeleitet12,13,14. Erstellte die analytische Lösung des Wasserzuflusses für die stabile Versickerung eines kreisförmigen Tunnels unter einem isotropen Permeabilitätskoeffizienten. In Bezug auf Materialien15 wurde die wasserdichte Leistung von Gummidichtungen unter vier Gesichtspunkten untersucht16. Es wurde erklärt, dass die Schweiz, Österreich und andere Länder Polyethylen und Polyvinylchlorid als wasserdichte Materialien verwenden und diese weit verbreitet sind17. Entwicklung wasserdichter und entwässernder Verbundmaterialien18,19. Einführung eines neuen Typs von flüssigem Abdichtungsmaterial (ein wasserbasierter, durchlässiger, kristalliner Typ) und Analyse der Unterschiede zwischen der Kombination dieses Materials und Spritzbeton und Schalungsbeton aus mikroskopischer Sicht. Kapillare und konvexe Schalenabdichtungs- und Drainageplatten sind relativ neue Drainagematerialien20. Untersuchte den Einfluss von Kapillardrainageplatten auf die Entwässerungskapazität von sandigem Boden, indem sie Entwässerungstests in Innenräumen durchführte und einen Winkel einstellte, um ihre Anti-Verschlammungsleistung zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wertebereich des Winkels des kapillaren Entwässerungsgürtels, der auf dem Untergrund, der Böschung und anderen Strukturen liegt, bei 10°–15°21 empfohlen wird. Durchführung von Wasserdruckbeständigkeits- und Haltbarkeitstests an fünf verschiedenen Fugenbändern und deren Anwendung im wasserdichten System des Gongbei-Tunnels. Im Hinblick auf die strukturelle Optimierung22 wurde ein für den Ost-Tianshan-Tunnel geeignetes Designkonzept für Wasserdichtigkeit und Entwässerung vorgeschlagen: die Bautechnologie „ein Block, zwei Entwässerungen und drei Vorbeugungen“23. Vorgeschlagen wurde ein Verbundabdichtungs- und Entwässerungssystem (CWDS). Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass im Falle einer Blindrohrverstopfung der Wasserdruck des herkömmlichen Entwässerungssystems in einem Tunnel schnell ansteigt, während der CWDS-Tunnel effektiv entwässern und den Druck reduzieren kann24. Die vorgeschlagenen dreifachen Optimierungsmaßnahmen der Struktur und die Forschungsergebnisse werden eine wichtige Leitrolle bei der Planung, dem Bau und der Wartung der Entwässerungssysteme von Autobahntunneln in China spielen25. Entwicklung eines Entwässerungsmodells bestehend aus Entwässerungsrohren, wasserdichten Membranen und Geotextilien. Diese Studie ist hilfreich für die optimale Gestaltung von Tunnelabdichtungs- und Entwässerungssystemen, beispielsweise für die Schätzung der anfänglichen Durchlässigkeit und Dicke der Auskleidung, des Abstands zwischen kreisförmigen Entwässerungsrohren und der hydraulischen Leitfähigkeit von Geotextilien26. Mittels numerischer Simulation und Modelltests wurden drei optimierte Abdichtungs- und Entwässerungssysteme untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Entwässerungssystem den Wasserdruck am umgekehrten Bogen nicht wirksam reduzieren kann, wenn herkömmliche Abdichtungs- und Entwässerungssysteme für wasserreiche Karsttunnel übernommen werden Der Tunnel. Als am unteren Ende des umgekehrten Bogens ein längs verlaufendes blindes Entwässerungsrohr hinzugefügt wurde, erreichte die Reduktionsrate 84 % und als der zentrale Entwässerungsgraben am unteren Ende des umgekehrten Bogens angebracht wurde, stieg sie auf 96 %27. Vorschlag eines neuen Konzepts für ein Entwässerungs- und Druckreduzierungssystem am Boden eines Eisenbahntunnels, das das angesammelte Wasser am Boden des Tunnels effizient ableiten und das Ziel der Reduzierung des Wasserdrucks erreichen kann28. Untersuchte die Wasserdruckverteilung hinter der Auskleidung bei verschiedenen Abdichtungs- und Entwässerungsformen und legte den optimalen Layoutplan der wasserdichten Platte vor29. Vorschlag eines neuen Konzepts zur aktiven Steuerung des Abdichtungs- und Entwässerungsdesigns durch Anpassung der Festigkeit und Durchlässigkeit des umgebenden Gesteins, des Verstärkungsrings und der anfänglichen Stützstruktur. Um den Wasserdruck im Tunnel aktiv und sinnvoll zu reduzieren30, wurde ein speziell entwickeltes Entwässerungssystem mit Antiblockiersystem und automatischer Entlastung des Wasserdrucks31 vorgeschlagen.

Die oben genannten Untersuchungen haben gezeigt, dass das herkömmliche Entwässerungsschema das Problem der Tunnelwasserleckage in einem wasserreichen Karsttunnel nicht lösen kann. Derzeit konzentriert sich die Forschung im Bereich der Tunnelversickerung hauptsächlich auf die Berechnung des äußeren Wasserdrucks der Tunnelauskleidung, die Vorhersage des Wasserzuflusses und die Forschung zu Optimierungsmaßnahmen des Tunnelabdichtungs- und Entwässerungssystems, einschließlich neuer Technologien und neuer Materialien . Die Forschung zu den Ursachen und Auswirkungen von Verstopfungen hat nicht aufgehört. Es gibt jedoch nur wenige Berichte über die Verteilung des Wasserdrucks zwischen blinden kreisförmigen Rohren, den Entwässerungseffekt von blinden, nicht kreisförmigen Rohren + konvexen Schalenabdichtungen und Entwässerungsplatten oder die Auswirkungen lokaler Blockaden auf den äußeren Wasserdruck von Tunnelauskleidungen. Daher schlägt dieser Artikel ein Abdichtungs- und Entwässerungssystem mit einer konvexen Schalenabdichtungsplatte anstelle eines kreisförmigen Blindrohrs vor und untersucht den Entwässerungseffekt der neuen Abdichtungs- und Entwässerungsstruktur durch Tests in Innenräumen und numerische Simulationen.

Um zu verhindern, dass Grundwasser in die Tunnelstruktur eindringt, besteht das traditionelle Entwässerungssystem beim Tunnelbau hauptsächlich aus blinden kreisförmigen Entwässerungsrohren, blinden Längsentwässerungsrohren, wasserdichten Platten, Dichtungsstreifen, zentralen Entwässerungsgräben und Seitenwandentwässerungsgräben usw. Am Ende des Tunnelaushubs wird die erste Stütze angebracht, die in gewissem Maße eine wasserabweisende Funktion hat. Das von der Oberfläche des Erstträgers austretende Wasser wird durch das Blindrohr aufgefangen und über den zentralen Abfluss abgeleitet. Die wasserdichte Platte und der Dichtungsstreifen verhindern, dass das Grundwasser die Auskleidung erodiert.

Das herkömmliche Entwässerungssystem ist in Abb. 1 dargestellt. Die erste Stütze fungiert als erste Schicht der Abdichtung gegen Grundwasser. Wenn das Wasser von der Oberfläche der ursprünglichen Stütze sickert, wird das Blinddrainagerohr das versickerte Wasser auffangen und zum zentralen Abfluss transportieren, wo es abgeleitet wird. Wie in Abb. 1b,c dargestellt, führen jedoch während des Tunnelbetriebs Bodenpartikel und chemische Kristalle zur Verstopfung des Blindentwässerungsrohrs. Der Wasserdruck im verstopften Bereich steigt stark an, was aufgrund des erhöhten Wasserdrucks zu Rissen in der Auskleidung führen kann; Das Tunnelentwässerungssystem wird lahmgelegt und der Tunnelbetrieb wird beeinträchtigt. Wie aus Abb. 1b ersichtlich ist, neigt das blinde Entwässerungsrohr unter der Einwirkung des Stützdrucks zu Verformungen, was zu einer Verringerung der Entwässerungskapazität führt. Wenn die Regenzeit beginnt, führt die Verringerung der Entwässerungskapazität zu einem Anstieg des Wasserdrucks hinter der Auskleidung, was auch zu Rissen in der Auskleidung und schließlich zu Tunnellecks führt. Darüber hinaus bestehen auch höhere Anforderungen an das Baupersonal; Bei unsachgemäßer Konstruktion kann die wasserdichte Platte leicht brechen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Entwässerungssystem mit dem langfristigen Betrieb des Tunnels allmählich altert, was zu Tunnellecks, Rissen in der Auskleidung und anderen Problemen führt.

Das Diagramm der Tunnelverschlechterung. (a) Wasserfluss im Tunnel; (b) Mögliche Ursachen der Verschlechterung; (c) Leckage aus dem Riss von Abschnitt A.

Es wird ein neuartiges Entwässerungssystem vorgeschlagen, um Probleme wie einfache Verstopfungen des umlaufenden Abflussrohrs und ungleichmäßige Wasserdruckverteilung nach der Auskleidung und Risse in den wasserdichten Platten zu lösen. Abbildung 2a ist das dreidimensionale Strukturdiagramm des optimierten Entwässerungssystems und Abbildung 2b ist das Querschnittsentwässerungsdiagramm des neuen Entwässerungssystems. Die Anti-Drainage-Platte mit konvexer Schale hat die Funktion einer vollständigen Abschnittsentwässerung. Die konvexe Schale wird verwendet, um einen Oberflächenentwässerungskanal zwischen der wasserdichten Platte und der anfänglichen Stütze zu bilden, um den Effekt einer ringförmigen Oberflächenentwässerung zu erzielen und die derzeitige Situation einer konzentrierten kreisförmigen Blindrohrentwässerung und einer ungleichmäßigen Verteilung des Wasserdrucks im oberen Teil zu vermeiden den Tunnel und reduziert so den Spitzenwasserdruck, der auf den oberen Teil des Tunnels wirkt.

Neues Entwässerungssystem.

Entlang der axialen Richtung des Tunnels ist der Wasserdruck hinter der Auskleidung ungefähr gleich und das theoretische Modell kann den Entwässerungskanal berechnen. Wie in Abb. 3 dargestellt, zeigt die Schnittform des Entwässerungsschutzbretts des Rohbaus den äquivalenten Rohrdurchmesser des Entwässerungsschutzkanals des Rohbaus pro Quadratmeter des Längstunnels, der gemäß Gl. berechnet werden kann. (1):

wobei D0 der äquivalente Rohrdurchmesser pro Laufmeter des Wasserdurchgangs der konvexen Schalenabdichtungsplatte ist, m; H ist die Höhe der konvexen Hülle, m; D ist der untere Abstand der konvexen Schale, m; L1 ist der Durchmesser der Bodenfläche der konvexen Schale, m; L2 ist der Durchmesser der oberen Oberfläche der konvexen Schale, m; ε ist die Kompressionsverformungsrate der wasserdichten Platte der konvexen Schale unter Druck.

Schematische Darstellung des wasserdichten Plattenabschnitts mit konvexer Schale.

Gemäß der Strömungsmechanik lautet die Gleichung zur Berechnung des überschüssigen Wassers pro Meter der wasserdichten Platte:

wobei \({\text{Q}}\) der Wasserdurchfluss pro Meter der schalenförmigen wasserdichten Platte ist, m3/d; A ist die Fläche der Pipeline, m2; R ist der hydraulische Radius, m; J ist die hydraulische Steigung; und C ist der Xie Cai-Koeffizient. Nach Gl. (3) kann man Folgendes erhalten:

In Gl. (3) n ist die Rauheit, abhängig vom Grad der Wandglätte.

Wenn die Höhe der konvexen Hülle 1 cm beträgt, beträgt die Kompressionsverformungsrate 0; der Abstand der konvexen Hülle beträgt 0,5 cm, der untere Durchmesser der konvexen Hülle beträgt 1,6 cm, der obere Durchmesser der konvexen Hülle beträgt 0,8 cm und gemäß Gl. (1) beträgt der äquivalente Rohrdurchmesser 7,389 cm und die Rohrleitungsfläche 42,86 cm2.

Es ist bekannt, dass der Durchmesser des umlaufenden Entwässerungsrohrs des Tiegalishan-Tunnels 5 cm beträgt, der Abstand des umlaufenden Blindrohrs 5 m beträgt und das Karst- und Grundwasserentwicklungsgebiet unter der Annahme der Rauheit des Wasserwegs auf 2 m verschlüsselt ist ist dasselbe. Wenn der hydraulische Gradient gleich ist, kann das Flussverhältnis durch die Gleichungen berechnet werden. (1), (2) und (3) wie folgt:

wobei α das Durchflussratenverhältnis zwischen dem ringförmigen Entwässerungsrohr und dem ringförmigen Entwässerungsrohr mit der konvexen, schalenförmigen wasserdichten Platte im Anordnungsabstand ist; d ist der Anordnungsabstand des umlaufenden Abflussrohrs; und Dh ist der Durchmesser des umlaufenden Abflussrohrs, m. Wenn der äquivalente Rohrdurchmesser 7,389 cm und der ringförmige Abflussrohrdurchmesser 5 cm beträgt, ist der Zusammenhang zwischen dem Durchflussverhältnis und der Abstandsanordnung der Abflussrohre in Abb. 4a dargestellt. Wenn der Umfangsabstand 5 m beträgt, ist die Beziehung zwischen Durchflussverhältnis und Umfangsdurchmesser des Abflussrohrs wie in Abb. 4b dargestellt.

Entladungsverhältnis.

Abbildung 4a zeigt, dass das Strömungsverhältnis bei gleicher Rauheit des Fließwegs und gleichem hydraulischen Gefälle mit zunehmender Anordnung der ringförmigen Abflussrohrabstände einen linearen Anstieg beibehält. Aus Abb. 4b ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Durchmesser des ringförmigen Abflussrohrs das Durchflussverhältnis immer weiter abnimmt, der Abwärtstrend jedoch weiter abnimmt. Wenn der äquivalente Rohrdurchmesser pro Meter wasserdichter Mantelplatte 7,389 cm beträgt, beträgt der Rohrdurchmesser des umlaufenden Abflussrohrs 5 cm und der Abstand des umlaufenden Abflussrohrs 2 m; das Überschusswasserverhältnis beträgt 5,66. Bei einem ringförmigen Abflussrohrabstand von 10 m beträgt das Durchflussverhältnis 28,33. Wenn der äquivalente Rohrdurchmesser der wasserdichten Rohbauplatte pro Meter 7,389 cm beträgt, beträgt die Abstandsanordnung des umlaufenden Abflussrohrs 5 m und der Durchmesser des umlaufenden Abflussrohrs 5 cm; das Durchflussverhältnis beträgt 14,16. Wenn der Durchmesser des ringförmigen Abflussrohrs 10 cm beträgt, beträgt das Überschusswasserverhältnis 2,23. Gemäß den oben genannten Daten ist die Entwässerungsleistung der konvexen Schalenablaufplatte besser als die des ringförmigen Abflussrohrs.

Um das Verteilungsgesetz des Wasserdrucks nach der Auskleidung des neuen Entwässerungssystems und des herkömmlichen blinden kreisförmigen Entwässerungsrohrsystems zu untersuchen, wurde das sich ändernde Wasserdruckgesetz nach der Auskleidung bei unterschiedlichen Verstopfungsabständen mithilfe der ABAQUS-Software zur numerischen Simulation in a angewendet traditionelles Anti-Drainage-System. Die wasserdichte Platte und das Geotextil wurden als Anti-Drainage-Schicht eingesetzt, die in der numerischen Simulation die Rolle von „Wasserdichtigkeit“ und „Drainage“ spielte. Die Durchlässigkeit der Sekundärauskleidung wird normalerweise als äußerst niedriger Parameter eingestellt, um die Rolle der Wasserdichtigkeit zu übernehmen, und das Wasserführungskissen ist so eingestellt, dass es die Funktion der „Entwässerung“ übernimmt. Das Wasserführungskissen ist eine wesentliche Struktur für die Entwässerung in Bereichen ohne blinde Entwässerungsrohranordnung und spielte in dieser Simulation die Rolle, die konvexe Hülle zu ersetzen. Das Modell nutzte eine radiale Verpressung über den gesamten Querschnitt, um die Wasserverstopfung zu verstärken, und die Dicke des Vergussrings betrug 5 m. Die Tiefe des Tunnels betrug 45 m, die Höhe des Grundwasserspiegels wurde von der Oberfläche aus gemessen, das Fünffache des Tunneldurchmessers von der Seitenwand des Tunnelaushubs nach beiden Seiten und etwa das Fünffache der Tunnelhöhe nach unten. Die Längslänge entlang der Tunnelachse betrug 40 m, die Modellgröße 160 m, die Breite 40 m und die Höhe 120 m. Das dreidimensionale Versickerungsmodell des Tunnels ist in Abb. 5 dargestellt.

Dreidimensionales Versickerungsmodell.

Für das umgebende Gestein und den Vergussring wurde eine Festkörpersimulation übernommen; Für das mechanische Modell wurde ein konstitutives More-Coulomb-Modell übernommen. das isotrope Versickerungsmodell wurde in das Fluidmodell übernommen; Zur Simulation der Auskleidung, der Filterschicht und des Entwässerungslochs wurde ein massives Element verwendet. Im mechanischen Modell wurde ein elastisches Materialmodell übernommen. Im Fluidmodell wurde ein isotropes Versickerungsmodell übernommen. Die physikalischen und mechanischen Kennwerte des umgebenden Gesteins wurden gemäß dem geologischen Prospektionsbericht berechnet. und numerische Berechnungsparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Wenn ein Tunnel ausgehoben wird, werden die ursprüngliche Stützung, die sekundäre Auskleidung und die entsprechende Konstruktion der Entwässerungsleitung neu ausbalanciert, und die Bildung eines neuen stabilen Sickerfelds wird neue Auswirkungen auf die Auskleidungsstruktur des Tunnels haben. Abbildung 6 zeigt das externe Wasserdruckwolkendiagramm der Auskleidung der traditionellen und neuen Entwässerungsarten nach dem Aushub und der Sickerstabilität.

Studie zur Wasserdruckverteilung in verschiedenen Wasser- und Entwässerungssystemen.

Wie in Abb. 6 zu sehen ist, liegt der Wasserdruck des herkömmlichen Entwässerungssystems leicht in der Nähe des Abflussrohrs. Im mittleren Bereich der beiden Abflüsse ist der Wasserdruck dagegen enorm, es ergibt sich eine „wellige“ Wasserdruckverteilung. Der Hauptgrund dafür ist, dass das blinde umlaufende Entwässerungsrohr eine starke Entwässerungskapazität aufweist. Im Gegensatz dazu verfügt der Bereich ohne blindes Entwässerungsrohr über eine schwache Wassertransportkapazität in seinem Geotextil, was zu einer zentralen Verteilung des Wasserdrucks führt. Der neue Anti-Drainage-Modus eliminiert das Blindringrohr und übernimmt die wasserdichte Platte mit konvexer Schale. Die Entwässerungskapazität des oberen Teils des Tunnels ist gleich, die Wasserdruckverteilung ist gleichmäßig und der Wasserdruck ist weitaus geringer als der Spitzenwasserdruck des herkömmlichen Entwässerungsmodus, wodurch die Transformation vom „Linienabfluss“ des Tunnels realisiert wird vom traditionellen Entwässerungssystem zum „Oberflächenabfluss“ des neuen Entwässerungssystems. Die Verteilung des Wasserdrucks entlang des Bogens und des Gewölbes ist in Abb. 7 dargestellt.

Vergleich des Wasserdrucks in verschiedenen Entwässerungsmodi.

Aus Abb. 7 geht hervor, dass der Wasserdruck des Bogens und des Gewölbes im neuen Entwässerungsmodus ungefähr bei etwa 0,202 MPa und 0,214 MPa gehalten wird. Der Wasserdruck ist stabil und der Wasserdruckspalt zwischen der Bogentaille und der Bogenkrone ist klein. Im herkömmlichen Entwässerungssystem beträgt der Spitzenwasserdruck der Bogentaille und der Gewölbebeobachtungslinie 1,025 MPa bzw. 1,014 MPa. Der Spitzenwasserdruck des neuen Entwässerungsmodells wird im Vergleich zum herkömmlichen Entwässerungsmodell um 80,29 % bzw. 78,90 % reduziert.

Um die Auswirkungen lokaler Verstopfungen in verschiedenen Entwässerungssystemen auf die Tunnelauskleidung zu untersuchen, wurden vier Arbeitsbedingungen von 2 m, 4 m, 6 m und 8 m axialer Verstopfung der Tunnelseitenwand simuliert und eingestellt. Das Wolkendiagramm der äußeren Wasserdruckverteilung der Auskleidung des neuen Abdichtungs- und Entwässerungssystems ist in Abb. 8 dargestellt. Mit zunehmender Verstopfungslänge nahm der Wasserdruck im Verstopfungsbereich kontinuierlich zu. Bei einer Verstopfungslänge von 2–6 m trat der maximale Wasserdruck im Verstopfungsbereich etwa in der Mitte auf. Es gab kein offensichtliches Diffusionsphänomen im Einflussbereich des Wasserdrucks entlang des Umfangs. Als die Sperrlänge 8 m erreichte, verlagerte sich der Spitzenwasserdruck auf beide Seiten und der Einflussbereich des Wasserdrucks begann sich auf den nicht blockierten Bereich im oberen Teil des Tunnels auszudehnen. Das Wolkendiagramm des äußeren Wasserdrucks der Auskleidung bei unterschiedlichen Verstopfungslängen des herkömmlichen Entwässerungssystems ist in Abb. 9 dargestellt. Mit zunehmender Verstopfungsentfernung stieg der Wasserdruck im Verstopfungsbereich weiter an, was ähnlich ist die Änderungsregel des Wasserdrucks im neuen Entwässerungssystem. Bei einer Verstopfung des Entwässerungssystems versagt das umlaufende Blindentwässerungsrohr im Verstopfungsbereich.

Wolkendiagramm des äußeren Wasserdrucks der Auskleidung bei unterschiedlichen Sperrlängen auf einer Seite.

Externes Wasserdruckwolkendiagramm der Auskleidung mit unterschiedlichen Verstopfungslängen im traditionellen Entwässerungssystem.

Abbildung 10 zeigt, dass der Wasserdruck des herkömmlichen Entwässerungssystems im Umfang des betroffenen Gebiets deutlich höher ist als der des neuen Entwässerungssystems. Wenn die Sperrlänge im Sperrbereich 2 m, 4 m, 6 m bzw. 8 m beträgt, beträgt der maximale Wasserdruck des neuen Entwässerungssystems entlang der Umfangsrichtung im Sperrbereich 0,776 MPa, 0,930 MPa. 0,993 MPa und 1,030 MPa. Dies zeigt, dass der Wasserdruck im blockierten Bereich umso größer ist, je länger der blockierte Bereich des Entwässerungssystems ist, sich der Wachstumstrend jedoch verlangsamt. Der Wasserdruck außerhalb der Auskleidung, weit weg vom blockierten Bereich, wird nach und nach auf das normale Niveau zurückfallen, aber das traditionelle Entwässerungssystem wird nur langsam zurückgehen, während das neue Entwässerungssystem (aufgrund seines speziellen Oberflächenabflussmodells) nicht auf dem blinden Rundschreiben beruht Entwässerungsrohr, damit der Wasserdruck um den verstopften Bereich herum schnell zurückfällt. Auch der Einflussbereich lokaler Verstopfungen auf den Auskleidungswasserdruck des herkömmlichen Entwässerungssystems ist größer als der des neuen Entwässerungssystems. Der Einfluss lokaler Verstopfungen des neuen Entwässerungssystems und des herkömmlichen Entwässerungssystems auf den umgekehrten Bogen des Tunnels ist relativ begrenzt, aber der Wasserdruck des umgekehrten Bogens des neuen Entwässerungssystems ist etwas geringer als der des herkömmlichen Entwässerungssystems.

Vergleich des Umfangswasserdrucks bei unterschiedlichen Verstopfungsabständen.

Die Wasserdruckänderungskurve der beiden Entwässerungssysteme bei unterschiedlichen Verstopfungsabständen ist in Abb. 11 dargestellt. Beim herkömmlichen Entwässerungssystem nimmt der Wasserdruck der Krone im Verstopfungsbereich mit zunehmender Länge des Verstopfungsbereichs allmählich zu , von 0,46 MPa (bei einer Stopflänge von 2 m) bis 0,54 MPa (bei einer Stopflänge von 8 m). Der Einflussbereich liegt hauptsächlich zwischen den blinden Umfangsrohren auf beiden Seiten des Verstopfungsbereichs, während beim neuen Entwässerungssystem bei einer Verstopfung auf einer Seite der Wasserdruck auf die Bogenkrone leicht ansteigt. Bei einer Verstopfungslänge von 2–6 m beträgt der durchschnittliche Wasserdruck etwa 0,243 MPa. Bei einer Verstopfungslänge von 8 m beträgt der durchschnittliche Wasserdruck 0,248 MPa. Die Druckschwankung der Bogenkrone ist geringer als die des herkömmlichen Entwässerungssystems.

Vergleich des Wasserdrucks an der Bogenkrone bei verschiedenen Blockabständen.

Die Wasserdruckänderungskurve der beiden Entwässerungssysteme bei unterschiedlichen Verstopfungsabständen ist in Abb. 12 dargestellt. Wenn beim herkömmlichen Entwässerungssystem eine Verstopfung im Verlegungsabschnitt des blinden Entwässerungsrohrs auftritt, übernimmt die Entwässerungsfunktion des blinden kreisförmigen Rohrs die Entwässerungsfunktion in diesem Bereich wird versagen und sein Wasserdruck wird unter normalen Entwässerungsbedingungen auf den Spitzenwasserdruck im mittleren Bereich der beiden Blindrohre ansteigen. Für das neue Entwässerungssystem ist zu erkennen, dass der Wasserdruck im Verstopfungsbereich deutlich erhöht ist. Bei einer Verstopfungslänge von 2–6 m wird ein einzelner Peak angezeigt (0,744 MPa, 0,897 MPa bzw. 0,942 MPa). Bei einer Verstopfungslänge von 8 m treten zwei Spitzen auf und der Druck in der Mitte des Verstopfungsbereichs ist niedriger als der Spitzendruck. Der Wasserdruck im blockierten Bereich ist geringer als der des herkömmlichen Entwässerungssystems. In Richtung der zunehmenden Länge der Blockade verringert sich der Einflussbereich des blockierten Bereichs stark, der auf den blockierten Bereich beschränkt ist. Am Rand des blockierten Bereichs kann der Wasserfluss aufgrund des einzigartigen „Oberflächenabfluss“-Modus des neuen Entwässerungssystems durch den dreidimensionalen Raum zwischen der wasserdichten Platte und der anfänglichen Stütze im Längsentwässerungsrohr gesammelt werden. Der herkömmliche Entwässerungsmodus mit blindem Umfangsrohr beruht meist darauf, dass sich das blinde Umfangsrohr in einem bestimmten Abstand befindet, um Wasser zu sammeln. Sobald das Blinddrainagerohr verstopft ist, bedeutet dies, dass der Abstand der Blindrohranordnung im blockierten Bereich exponentiell zunimmt.

Vergleich des Wasserdrucks an der Taille bei unterschiedlichen Blockierungsabständen.

Die Leistung des Entwässerungsmaterials wirkt sich direkt auf den normalen Betrieb des Tunnels aus. Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass die Höhe des Grundwasserspiegels im Tunnel mit abnehmender Entwässerungsleistung des Tunnels zunimmt, wodurch die Tunnelauskleidungsstruktur stärker belastet wird. Um die tatsächlichen Betriebsbedingungen von Entwässerungsplatten in Tunneln wirklich zu berücksichtigen und die Zuverlässigkeit der numerischen Simulation auf der Grundlage relevanter Testverfahren zu überprüfen, wurde ein Gerät zur Prüfung der wasserdurchlässigen Leistung von Tunnelabdichtungen und Entwässerungsmaterialien entsprechend der Klassifizierung der Eisenbahntunnelentwässerung entwickelt Vorstand (TB/T3354-2014). Die für die Prüfung ausgewählten Materialien waren Geotextilien, Schalendrainageplatten und Kapillardrainageplatten. Geotextilien werden üblicherweise als Entwässerungskissen in Tunneln verwendet. Es dient als Pufferschicht zum Schutz der wasserdichten Platte; Es verfügt außerdem über eine spezielle Kapazität zur Wasserführung, Filterung und Entwässerung. Um den Vergleich der Entwässerungsleistung zu erleichtern, wurden den Tests Geotextilien hinzugefügt; Die getesteten Drainagematerialien sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Entwässerungsplatten mit konvexen Schalen bestehen meist aus hochdichtem Polyethylen mit geschlossenen konvexen Schalen auf der Oberfläche, meist in runder Tisch- oder Halbkugelform. Wenn die wasserdichte Platte der konvexen Schale an der Oberfläche der ursprünglichen Stütze befestigt wird, kann die konvexe Schale eine bestimmte Stützhöhe bereitstellen und eine Wasserdurchlassschicht bilden, wie in Abb. 13 dargestellt.

Die Kapillardrainageplatte besteht überwiegend aus PVC. Unter „Schwerkraft und Kapillarkraft“ wird der Wasserfluss zurück in die Rille des Kapillarlochs gesaugt, die sich schnell füllt. Unter der Einwirkung der Wasseroberflächenspannung bildet es eine geschlossene Form und der Installationstropfen wird zur Erzeugung einer „Siphonkraft“ genutzt. Die drei Kräfte werden kombiniert, um den Grundwasserstrom zu sammeln, zu transportieren und abzuleiten.

Bei Geotextilien handelt es sich meist um Kunstfasern mit guter Wasserdurchlässigkeit. Sie werden normalerweise als Entwässerungskissen zwischen der ersten Stütze und der wasserdichten Platte im Entwässerungssystem eines Tunnels verwendet. Geotextilien erfüllen die Funktionen Pufferung, Wasserführung, Wasserfilterung und Entwässerung.

Schematische Darstellung des Wasserdurchgangs der konvexen Abflussplatte.

Derzeit wird die Entwässerungsleistungsprüfung von Geokunststoffen hauptsächlich gemäß den Instrumenten und Methoden durchgeführt, die in den „Testverfahren für zivile synthetische Materialien des Straßenbaus“ (JTG E50-2006) und den „Testverfahren für Geokunststoffe“ (SL235-2012) angegeben sind ). Aufgrund des erheblichen Unterschieds zwischen der Wassersäulendifferenz und dem vom Instrument bereitgestellten Stützdruck und der natürlichen Umgebung des Tunnels können die Testergebnisse nicht die tatsächliche Situation des Entwässerungsmaterials im Tunnel widerspiegeln. Unter Berücksichtigung des tatsächlichen Zustands der Entwässerungsplatte im Tunnel basiert dieses Experiment daher auf dem von Chen32 entwickelten Gerät zum Testen der Entwässerungsleistung. Dies umfasst im Wesentlichen einen Wasserspeichertank, einen Luftkompressor, eine Kontaktdruck-Ladevorrichtung und eine Wasserfluss-Sammelvorrichtung, über die der Test der Entwässerungskapazität und der Antiblockierkapazität durchgeführt werden kann, siehe Abb. 14.

Wasserdurchlauf-Leistungstestgerät.

Der Wasserspeichertank besteht aus einer Stahlplatte mit einer Dicke von 10 mm und den Abmessungen 50 × 50 × 100 (Länge × Breite × Höhe); Die Oberseite des Wassertanks ist mit hochfesten Schrauben mit dem Wassertank verbunden. Zwischen der Flanschabdeckplatte und dem Wassertank wird eine Gummidichtung verwendet, um die Dichtheit des Wassertanks sicherzustellen. An der Oberseite des Wassertanks befindet sich eine Wassereinspritzöffnung mit einer Öffnungsgröße von 50 mm, die über eine Verbindung mit dem Wasserübertragungsrohr für den wirkenden Druck im Wassertankauslass auf derselben Höhe wie der Wasserdruck sorgt Messgerät. Dadurch wird der Wasserdruck im Labor zeitnah aufgezeichnet. Ein Auslass am Boden des Wassertanks ermöglicht eine einfache Reinigung nach dem Test.

Das Wasserdruckladegerät besteht aus einem Luftkompressor, einem Gummischlauch und einem Manometer. Der Wassertank kann nur einen maximalen Wasserdruck von 10 kPa bereitstellen. Wenn der für den Test erforderliche Wasserdruck den maximalen Wert überschreitet, den der Wassertank liefern kann, stellt das Wasserdruckladegerät den erforderlichen Wasserdruck bereit. Für die Belastung von geotextilen Dränagematerialien mit Normaldruck wird gemäß „Testverfahren für Geokunststoffe“ (SL235-2012) das Belastungsplattenverfahren zur Druckbeaufschlagung verwendet; Das mechanische Testsystem RMT-301 lieferte die Kontaktdruck-Belastungseinrichtung. Um sicherzustellen, dass die Kraft der Probe gleichmäßig war und die Wirkungsfläche den Anforderungen entsprach, wurden zwei starre Polster (mit den Abmessungen 25 × 25 cm, also etwas größer als die Größe des Teststücks) auf der Ladeplattform platziert, um die Kraft zu simulieren zweilagiger Stützdruck auf die Drainageplatte. Der Entwässerungskanal und der Wassertank sind miteinander verbunden, das Ende des Entwässerungskanals ist mit einem abgestuften Wassersammelbehälter versehen, um die Größe des Wasserauslasses zu messen, und das oben genannte Gerät wird zu einem Satz angemessener und realisierbarer, funktionaler Entwässerungsleistung zusammengebaut Testgeräte.

Testen der Entwässerungsleistung geotextiler Entwässerungsmaterialien unter verschiedenen Arbeitsbedingungen, einschließlich Entwässerungskapazität und Anti-Verschlammungsvermögen, damit die Testergebnisse den Tunnelbau gemäß dem hydraulischen Gradiententest in „Messung des Wasserflusses in der Ebene von Geotextilien und“ leiten können Verwandte Produkte“ (GB/T 17633-2019) ist ersichtlich, dass mindestens 0,1 und 1,0 hydraulische Gradienten bereitgestellt werden sollten. In Kombination mit der Tiefe des Tunnels und den hydrogeologischen Bedingungen wurde der maximale Wasserdruck des Tests auf 100 kPa und der Wasserdruck auf 20, 40, 60, 80 und 100 kPa festgelegt. Der Stützdruck kann anhand der Feldüberwachung und der Bezugnahme auf die entsprechenden Autobahn- und Eisenbahntunnel ermittelt werden. Der maximale Anpressdruck beträgt 500 kPa, daher wird der Test auf 50, 100, 200, 300, 400 und 500 kPa eingestellt.

Bei der Entwässerungsleistungsprüfung wird reines Wasser verwendet, um die Entwässerungsleistung der geotechnischen Materialien unter verschiedenen Stütz- und Wasserdrücken zu testen. Die Testbedingungen sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Gemäß den Anforderungen des Prüfverfahrens sollte die Länge der Probe entlang der Wasserflussrichtung mindestens 20 cm und die Breite der Probe mindestens 20 cm betragen. Während des Tests sollte die Drainageplatte auf 20 × 20 cm zugeschnitten und in das Versuchsgerät gelegt werden; Die Probe ist in der Gummiplatte eingeschlossen. Die Probe sollte flach und faltenfrei sein und es dürfen keine Undichtigkeiten um sie herum auftreten. Das Testmaterial und die Gummiplatte müssen vor dem Experiment eingeweicht werden, damit das Material gesättigt ist. Während des Testvorgangs wird ein Druck von 20 kPa angelegt, um die Probe an Ort und Stelle zu halten. Anschließend wird Testwasser in den Tank eingespritzt, damit das Wasser aus der Modellbox durch den Abflusskanal fließt und die Blasen aus der Probe abfließen. Um sicherzustellen, dass sich die Probe während des Tests immer in einem gesättigten Zustand befindet, wird der Anpressdruck auf 50 kPa eingestellt und nach 15 Minuten sollte der Wasserfluss am Auslass stabil sein. Der Luftkompressor wird geöffnet, um den Wassertank auf den Zieldruck zu bringen, wobei der Wassereinlassfluss angepasst wird, um die Entwässerungskapazität des Teststücks zu bestimmen, indem die Wasserverdrängung über 15 Minuten aufgezeichnet wird und aufgezeichnet wird, wann die Entwässerung stabil ist. Das vom Prüfkörper innerhalb von 15 Minuten verdrängte Wasser wird aufgezeichnet und drei Versuchsgruppen unter den gleichen Arbeitsbedingungen durchgeführt. Der durchschnittliche Datenwert wird unter dieser Arbeitsbedingung als Testdaten verwendet.

Beim Test der Antiverstopfungskapazität wird das Testwasser durch schlammiges Wasser ersetzt, das durch Sedimente mit einer Partikelgröße von weniger als 1 mm hergestellt wird. Ein Mischer rührt das Schmutzwasser kontinuierlich um, um zu verhindern, dass Sedimentablagerungen den Test beeinträchtigen. Der Sedimentmassenanteil im schlammigen Wasser beträgt 1 %. Während des Tests beträgt der Anpressdruck 200 kPa und der Wasserdruck 1 kPa. Die Entwässerungsmenge und der Sedimentgehalt werden erfasst und als Indikatoren zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der geotechnischen Entwässerungsmaterialien herangezogen.

Die Wasserdurchlassleistung von Testmaterialien unter verschiedenen Wasserdrücken und Stützdrücken wird durch Berechnung der Variationsregel der Durchflussrate pro Zeiteinheit untersucht. Die Berechnungsformel lautet wie folgt:

wobei q der Fluss in Zeiteinheit ist; \(v_{n}\) ist die Änderung des Wasservolumens im n-ten Wassersammelbehälter; \(t_{n + 1}\) ist der Endzeitpunkt der n-ten Erfassung; und \(t_{n}\) ist die n-te Erfassungsstartzeit.

Da das maximale Einlasswasservolumen des Tests etwa 1700 cm3/s beträgt, kam man nach vielen Tests an der konvexen Schalen-Drainageplatte zu dem Schluss, dass die Durchflussrate den maximalen Einlass überschritten hat, wenn der Wasserdruck größer als 1 kPa ist Wasserfluss. Um die Testergebnisse überzeugender zu machen, wurde der Testwasserdruck der konvexen Mantelentwässerungsplatte begrenzt durch den Einlassfluss auf 0,1 kPa, 0,5 kPa und 1,0 kPa gewählt; Die Wasserdurchlässigkeit der drei Materialien bei unterschiedlichem Kontaktdruck ist in Abb. 15 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass unter gleichen Wasserdruckbedingungen die Wasserdurchlässigkeit anderer Materialien mit zunehmendem Kontaktdruck abnimmt. Wenn der Wasserdruck der Manteldrainageplatte 1 kPa beträgt und der Kontaktdruck von 50 auf 500 kPa steigt, sinkt die Durchflussrate pro Zeiteinheit von 620,7 auf 565,8 cm3/s. Die Entwässerungsleistung sank um 8,8 %, wenn der Wasserdruck der Kapillardrainageplatte 100 kPa beträgt; Die Entladungsrate pro Zeiteinheit verringerte sich bei erhöhtem Anpressdruck von 785,1 auf 506 cm3/s. Die Entwässerungsleistung nimmt um 35,5 % ab, die Durchflussrate pro Zeiteinheit verringert sich im Geotextil von 58,9 auf 25,73 cm3/s und die Entwässerungsleistung nimmt um 56,3 % ab. Es ist ersichtlich, dass die Entwässerungskapazität des Geotextils am stärksten von den Anpressdrücken beeinflusst wird. Die effektive Entwässerungsfläche der Drainageplatte und des Geotextils wird durch Kompression und Verformung verringert, und die Geschwindigkeit der Durchflussreduzierung ist nicht linear. Mit steigenden Anpressdrücken von 50 auf 200 kPa nimmt die Durchflussmenge pro Zeiteinheit rapide ab. Wenn der Kontaktdruck von 200 auf 500 kPa ansteigt, ist die Geschwindigkeit der Durchflussreduzierung pro Zeiteinheit begrenzt.

Variation der Strömung bei unterschiedlichem Anpressdruck.

Der Wasserabfluss der Kapillardrainplatte, der konvexen Manteldrainplatte und des Geotextils unter verschiedenen Wasserdruckbedingungen ist in Abb. 16 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei gleichem Anpressdruck der Wasserabfluss jedes Drainagematerials mit dem zunimmt Anstieg des Wasserdrucks und behält im Allgemeinen eine lineare Beziehung bei. Bei gleichem Anpressdruck bleibt die Verformung jedes Materials unverändert, sein Wasserdurchgangsraum bleibt intakt und der Wasserdruck bestimmt maßgeblich den Wasserabfluss.

Variation des Durchflusses bei unterschiedlichem Wasserdruck.

Um eine langfristig stabile Entwässerungsleistung des Entwässerungssystems zu gewährleisten, sollten die Entwässerungsmaterialien über ein gutes Antiverstopfungsvermögen verfügen. Während des Betriebs des Tunnels lösen sich aufgrund des Versickerns von Oberflächen- und Grundwasser einige Hydratationsprodukte in der Betonkonstruktion im Wasser auf und reagieren mit dem gelösten Kohlendioxid zu Kalziumkarbonatniederschlägen, die die Entwässerungsrohre verstopfen können. Dies kann dazu führen, dass der Wasserdruck in der Auskleidung ansteigt und diese reißen kann. Mit der Zeit vergrößern sich die Risse immer weiter, was dazu führt, dass Sedimente über die Risse durch Sickerwasser in das Entwässerungssystem gelangen und es zu einer Verschlammung des Entwässerungssystems kommt. Um die Anti-Verschlammungswirkung von Geotextilien, Kapillardrainplatten und konvexen Schalendrainplatten zu untersuchen, wird ein Test mit schlammigem Wasser durchgeführt und die Entwässerungsänderungsrate (in Zeiteinheiten) ist in Abb. 17 dargestellt.

Flussänderungskurve.

Wie aus Abb. 18 ersichtlich ist, muss die Entwässerungskapazität der konvexen Schalenentwässerungsplatte noch deutlich verringert werden. Nach mehreren Drainagetests beträgt die relative Änderungsrate seiner Verschiebung immer noch mehr als 95 % und die der Kapillardrainageplatte immer noch mehr als 80 %. Im Gegenteil nimmt die Entwässerungskapazität des Geotextils kontinuierlich ab und die relative Änderungsrate der Verschiebung beträgt nach 25 Versuchen nur noch etwa 50 %. Während des Tests ist die Drainage der Kapillardrainplatte klar, die Drainage der konvexen Schalendrainplatte ist jedoch trüb. Nach dem Test stellt sich das Sediment im Wassersammelbehälter wie in Abb. 18a dar. Nach dem Test werden das Geotextil und die Drainageplatte aus dem Testgerät entfernt, wie in Abb. 18b dargestellt.

Anti-Verschlammungs-Display.

Am Ende des Tests wurden der Wassersammeltank und die Probe getrocknet und gewogen, und die Sedimentmasse im Wassertank und auf der Materialoberfläche wurde ermittelt, wie in Tabelle 4 gezeigt.

Tabelle 4 zeigt, dass nach 25 Schlammwassertests der Sedimentgehalt im Tank 362,7 g und die Sedimentansammlung auf der Materialoberfläche 18,3 g erreichte. Dies liegt daran, dass bei gleichem Wasserdruckgefälle der Abfluss des Muschelentwässerungsbretts groß ist und die Sedimentpartikel mit der Strömung fließen. Durch den Wasserfluss gelangen feine und grobe Partikel leichter in das Abwassersystem und führen zur Ablagerung von Partikeln. Die Drainageplatte mit konvexer Schale und das Geotextil sind auf der Oberfläche mit einer Schicht aus Sedimentpartikeln bedeckt. Während des langfristigen Entwässerungsprozesses dringen die feinen Partikel des Geotextils sehr leicht in das Geotextil ein und werden an den Poren adsorbiert, was zu einem starken Rückgang der Durchlässigkeit des Geotextils und einer kontinuierlichen Abnahme der Entwässerungseffizienz im Laufe der Zeit führt. Bei der Kapillarablaufplatte beträgt die Breite der Kapillarrille nur 0,3 mm, wodurch grobe Partikel nicht in die Ablaufplatte gelangen können und nur Wasser fließt und eine kleine Anzahl feiner Partikel in den Ablaufkanal innerhalb der Ablaufplatte gelangt. Dies führt jedoch auch dazu, dass sich nach und nach grobe Partikel am Ende der Drainageplatte ablagern, wodurch sich die Abflussfläche der Kapillardrainageplatte verringert und dies zeigt, dass die Drainagekapazität nach vielen Tests abnimmt.

Basierend auf einer eingehenden Untersuchung in- und ausländischer Literatur und einer gründlichen Kombination aus theoretischer Analyse, numerischer Simulation und Innenraumexperimenten wurden die Verteilungseigenschaften des äußeren Wasserdrucks in der Auskleidung wasserreicher Karsttunnel sowie eine neue Abdichtung und Entwässerung untersucht System, untersucht. Die folgenden wesentlichen Schlussfolgerungen werden gezogen:

Der Wasserdruck des herkömmlichen Entwässerungssystems ist in der Nähe des Entwässerungsrohrs gering. Der Wasserdruck im mittleren Bereich der beiden Entwässerungsrohre ist groß und zeigt eine „Wellen“-Wasserdruckverteilung. Der Wasserdruck des neuen Entwässerungsmodus wird gleichmäßig im oberen Teil des Tunnels verteilt und der Wasserdruck ist weitaus geringer als der des herkömmlichen Entwässerungssystems. Der „Linienabfluss“ des herkömmlichen Entwässerungssystems wird in den „Oberflächenabfluss“ des neuen Entwässerungssystems umgewandelt. Der obere Wasserdruck des neuen Entwässerungssystems wird im Vergleich zum Spitzenwasserdruck der traditionellen Bogentaille und Bogenkrone um 80,29 % bzw. 78,90 % reduziert.

Den numerischen Berechnungsergebnissen zufolge ist der Wasserdruck im Staubereich des herkömmlichen Entwässerungssystems deutlich höher als der des neuen Entwässerungssystems. Wenn die Verstopfungslänge 2 m, 4 m, 6 m bzw. 8 m beträgt (aufgrund des speziellen Oberflächenentwässerungsmodells), wird der äußere Wasserdruck der Auskleidung abseits des Verstopfungsbereichs des neuen Entwässerungssystems allmählich auf zurückfallen normale Werte. Das traditionelle Entwässerungssystem wird langsam zurückgehen und der maximale Umfangswasserdruck des neuen Entwässerungssystems wird 0,776 MPa, 0,930 MPa, 0,993 MPa und 1,030 MPa betragen. Der maximale Umfangswasserdruck des herkömmlichen Entwässerungssystems beträgt 1,03 MPa, 1,06 MPa, 1,07 MPa bzw. 1,10 MPa. Der durchschnittliche Wasserdruck an der Bogenkrone des neuen Entwässerungssystems beträgt 0,24 MPa, der durchschnittliche Wasserdruck an der Bogentaille beträgt 0,873 MPa, der durchschnittliche Wasserdruck an der Bogenkrone des herkömmlichen Entwässerungssystems beträgt 0,53 MPa und der durchschnittliche Wasserdruck beträgt 0,53 MPa Der Druck an der Bogentaille beträgt 1,06 MPa. Daher ist der Wasserdruck im blockierten Bereich des herkömmlichen Entwässerungssystems deutlich höher als der des neuen Entwässerungssystems.

Wenn der Wasserdruck der konvexen Abflussschale 1 kPa beträgt und der Kontaktdruck von 50 auf 500 kPa erhöht wird, sinkt die Durchflussrate pro Zeiteinheit von 620,7 auf 565,8 cm3/s und die Abflussleistung nimmt um 8,8 % ab. Wenn der Wasserdruck der Kapillarablaufplatte 100 kPa beträgt, sinkt die Durchflussrate pro Zeiteinheit von 785,1 auf 506 cm3/s und die Ablaufleistung nimmt um 35,5 % ab; Die Fließgeschwindigkeit des Geotextils pro Zeiteinheit sank von 58,9 auf 25,73 cm3/s und die Entwässerungskapazität verringerte sich um 56,3 %. Es ist ersichtlich, dass die Drainagekapazität des Geotextils am stärksten vom Kontaktdruck beeinflusst wird, gefolgt von der Kapillardrainageplatte; Die effektive Entwässerungsfläche der Kapillardrainageplatte und des Geotextils nahm aufgrund der Druckverformung stark ab.

Nach 25 Schlammwasserableitungstests verringerte sich die Abflusskapazität der konvexen Schalenabflussplatte von 99 auf 94 %, was einem Rückgang von 5 % entspricht. Die Entwässerungskapazität der Kapillardrainageplatte verringerte sich von 97 auf 81 %, was einem Rückgang um 16 % entspricht. Die Entwässerungskapazität des Geotextils nahm am stärksten ab, von 94 auf 50 %: ein Rückgang um 44 %. Aufgrund der großen Porosität der konvexen Schalenentwässerungsplatte gelangen die groben und feinen Partikel unter der Wirkung des Wasserflusses leichter in das Entwässerungssystem, was zu einer Verschlammung der Partikel führt. Bei der langfristigen Entwässerung des Geotextils gelangen die feinen Partikel sehr leicht in das Geotextil und werden an den Poren adsorbiert, was mit der Zeit zu einer kontinuierlichen Abnahme der Entwässerung im Geotextil führt. Bei der Kapillardrainageplatte beträgt die Breite der Kapillarrille nur 0,3 mm, sodass grobe Partikel nicht in das Innere der Drainageplatte gelangen können; Nur Wasserfluss und eine kleine Menge feiner Partikel gelangen in den Entwässerungskanal im Entwässerungsbrett. Allerdings führt dies auch dazu, dass die groben Partikel nach und nach das Ende der Dränageplatte verschlammen, wodurch sich die Wasserabflussfläche am Ende der Kapillardrainage verkleinert, was sich in der Verringerung der Entwässerungsleistung nach vielen Versuchen zeigt .

Bei gleichem Anpressdruck steigt die Wasserkapazität der Drainagematerialien mit zunehmendem Wasserdruck und bleibt im Allgemeinen in einem linearen Verhältnis. Bei gleichem Wasserdruck nimmt die Wasserkapazität mit zunehmendem Anpressdruck ab und der Grad der Reduzierung nimmt allmählich ab.

Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem Artikel enthalten.

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Cong Zhang, Ning Liu, Kun Chen und Fang Zhou Ren

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CZ Software, Datenkuration, Schreiben – Originalentwurf; NL Konzeptualisierung, Methodik, Finanzierungseinwerbung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; KC-Methodik, Projektverwaltung, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung; FR-Validierung, Untersuchung, Überwachung.

Korrespondenz mit Ning Liu.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, C., Liu, N., Chen, K. et al. Studie zum Entwässerungsmodus und zur Verstopfungsschutzleistung eines neuen Abdichtungs- und Entwässerungssystems in einem Tunnel. Sci Rep 13, 5354 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9

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Eingegangen: 12. Dezember 2022

Angenommen: 29. März 2023

Veröffentlicht: 01. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9

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