Analyse FEM d'un nouveau trois

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10850 (2023) Citer cet article

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Dans les zones riches en eau, les arches d'élévation des tunnels soumises à une pression d'eau élevée provoquent souvent des fissures et des fuites, des renflements et d'autres défaillances. Lorsque le système de drainage n’est pas conçu correctement, ces défaillances se produisent plus fréquemment et le drainage conventionnel des tunnels routiers ne peut pas réduire efficacement la pression de l’eau au niveau de l’arche d’élévation. Par conséquent, cet article propose un nouveau concept de « drainage à trois voies ». Le système de drainage à trois voies est basé sur un système de drainage conventionnel avec une nouvelle entrée de drainage au niveau de l'arche d'élévation. Sur cette base, une série d'études de simulation numérique sont menées pour vérifier les performances de réduction de pression du système de drainage à trois voies sur le revêtement. Après démonstration et analyse, le concept de drainage à trois voies peut non seulement réduire efficacement la pression de l'eau au niveau de l'arche d'élévation du tunnel, mais également avoir un effet significatif sur l'effet de drainage global du tunnel. Les facteurs affectant les performances du système de drainage à trois voies sont évalués en faisant varier les paramètres du modèle. Il s'avère que le coefficient de conduction hydraulique de la roche environnante et du support initial, le nombre de trous de dérivation inversés dans l'arc d'élévation, le changement de hauteur de tête et le changement des paramètres du revêtement secondaire ont tous un effet significatif sur la pression de l'eau à l'extérieur. le tunnel.

Le développement économique d'un pays est inévitablement lié à la construction de routes, de chemins de fer et d'autres infrastructures. La Chine a réalisé des progrès remarquables dans la construction de tunnels ces dernières années. Par exemple, fin 2020, le kilométrage routier total de la Chine atteignait 5 198 100 km, soit une augmentation de 185 600 km par rapport à 2019, et les tunnels routiers chinois atteignaient 21 316 km et une distance totale de 21 999 300 mètres linéaires. Lors de la construction de tunnels routiers, plusieurs incidents de défaillance se sont produits. Parmi ces problèmes, la fissuration du revêtement des tunnels routiers causée par la haute pression de l’eau est devenue un facteur sérieux affectant la sécurité des tunnels et a également attiré l’attention de l’industrie1,2. Les types de ruptures de fissures du revêtement de tunnel comprennent la fissuration des parois de l'arche, l'injection d'eau à haute pression et le renflement de l'arche d'élévation3,4,5,6. Une plate-forme bombée d'un tunnel routier affectera non seulement sérieusement la durée de vie du tunnel, mais présentera également un risque pour la sécurité de la circulation. Même si un renflement d’arche surélevé sur une autoroute n’est pas évident, il peut néanmoins provoquer un terrible accident de la route pour les véhicules circulant à grande vitesse7,8. Un renflement de l’arche d’élévation du tunnel peut ne pas être uniquement dû à des contraintes élevées au sol causées par une pression d’eau élevée ; Si le drainage de la saison des crues dans un tunnel n'est pas opportun, la haute pression de l'eau concentrée dans l'arche d'élévation peut entraîner l'absorption et l'expansion de la roche, ce qui peut ramollir la roche et conduire à un renflement de l'arche d'élévation du tunnel. Il est donc crucial de résoudre de manière économique et efficace des problèmes tels que la pression élevée de l’eau qui endommage la structure du revêtement d’un tunnel. Il existe actuellement de nombreuses façons de réduire les dommages au revêtement, parmi lesquelles un système de drainage efficace et efficient constitue actuellement le principal moyen de réduire la pression sur un tunnel9.

Actuellement, il existe deux principales stratégies d'étanchéité et de drainage des tunnels routiers : un modèle entièrement fermé qui ne permet pas aux eaux souterraines de s'écouler dans le tunnel et un modèle de drainage qui permet aux eaux souterraines de s'écouler dans le tunnel. Le modèle entièrement fermé est souvent utilisé pour des endroits spéciaux tels que les zones de protection de l'environnement naturel et les endroits où se trouvent des bâtiments importants au sol qui ne peuvent pas être drainés par le tunnel pendant une longue période, provoquant un affaissement. Généralement, les exigences de résistance de la structure du revêtement et de la couche imperméable sont élevées. Par conséquent, pour les zones protégées non naturelles, des systèmes de drainage sont généralement utilisés pour réduire la pression externe de l’eau sur le revêtement du tunnel. Des chercheurs nationaux et étrangers étudient actuellement l'impact de la pression élevée de l'eau sur les caractéristiques de contrainte structurelle du revêtement des tunnels à travers une série d'analyses théoriques, d'essais sur modèle, d'essais sur le terrain et de simulations numériques10,11,12,13,14,15. Théoriquement, la distribution spatiale de la pression interstitielle dans les tunnels urbains situés dans des zones riches en eau a été étudiée sur la base de Harr, et une équation de pression d'eau pour le champ d'infiltration a été dérivée16. Une analyse variable complexe a été utilisée pour analyser la répartition des contraintes dans les tunnels sous-marins élastiques en demi-plan17. Une approche semi-analytique de l’afflux d’eau dans les tunnels a été proposée18. Une forme structurelle adaptée aux tunnels à niveau d'eau élevé et la forme structurelle d'un système de drainage contrôlé ont été proposées, et la répartition de la pression de l'eau dans le revêtement du tunnel a été étudiée par une analyse théorique, des essais en intérieur et des mesures sur le terrain19. Un cadre d'évaluation basé sur un modèle hydrologique couplé au niveau régional a été développé pour étudier les effets du drainage des tunnels sur la végétation environnante20,21,22,23. Cependant, les résultats actuels des recherches sur la prévention du drainage des tunnels impliquent des méthodes de drainage conventionnelles. Bien que cela ait un effet significatif sur la réduction de la pression de l'eau à l'extérieur du revêtement par rapport à une fermeture complète, cela n'a qu'un effet de réduction significatif sur la pression autour de la paroi de la voûte du tunnel. Côté matériaux, des tests de perméabilité dans le plan des filtres géotextiles drainés ont été menés pour évaluer leur mécanisme de détérioration hydraulique dans les tunnels24,25. Un mélange optimal de mortier de mousse léger pour favoriser le drainage du tunnel a été examiné à l’aide de la méthode du revêtement composite26. Des matériaux imperméables et respirants ont été conçus à base de nanofibres électrofilées27. En termes de structure, une nouvelle structure de drainage contenant des dalles de drainage de coque convexes a été proposée par simulation numérique et essais en intérieur28. Un système de drainage de tunnel a été construit grâce à la technologie d’impression 3D et un test de simulation du blocage du système de drainage a été réalisé29. Trois schémas d'optimisation de l'étanchéité et du drainage ont été proposés, où le placement d'un drain central au fond d'un radier a eu le plus grand impact sur la réduction de la pression de l'eau de 96 %9. Une méthode ascendante de drainage des tunnels ferroviaires avec réduction de pression a été proposée30. Un nouveau réseau de drainage a été proposé pour résoudre le problème de drainage des tunnels de montagne traversant des zones de fracture à fort LWP31. Ils ont étudié et analysé les exigences d'étanchéité et les mesures de construction de différents tunnels spéciaux en Chine32,33,34. Les études ci-dessus ont exploré le problème de la pression de l'eau dans les tunnels et utilisé diverses solutions (y compris le calcul de la pression de l'eau externe, l'optimisation des systèmes d'étanchéité et de drainage des tunnels, les nouvelles technologies et matériaux, etc.), mais n'ont pas examiné comment atténuer efficacement l'impact de la pression de l'eau sur la structure de revêtement au niveau de l'arche d'élévation du tunnel. Dans le même temps, les causes de l'augmentation de la pression de l'eau à l'extérieur du tunnel ont été analysées, mais aucune d'entre elles n'a examiné comment réduire efficacement l'impact de la pression de l'eau au niveau de l'arche d'élévation du tunnel sur la structure du revêtement.