Mudança do campo de temperatura ao redor de diferentes estruturas de drenagem em túnel de região fria com base em testes de modelo

Jan 12, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13967 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O layout inadequado das estruturas de drenagem e as medidas de isolamento inadequadas em túneis frios podem resultar em vários graus de formação de gelo durante a operação. Este estudo concentra-se no túnel rodoviário de Hongtoushan como exemplo, onde as características de distribuição do campo de temperatura ao redor da estrutura de drenagem inferior sob diferentes arranjos são investigadas através de testes de modelos internos. Os resultados indicam que existe um fenômeno significativo de histerese nas mudanças de temperatura ao longo da seção transversal à medida que a profundidade do enterramento aumenta. Com um aumento na profundidade de enterramento da rocha circundante, o tempo de histerese das mudanças de temperatura aumenta gradualmente. O padrão de variação de temperatura pode ser aproximado por um polinômio cúbico. Na seção vertical, à medida que a profundidade do túnel aumenta, a temperatura da rocha circundante na parte inferior do túnel aumenta gradualmente enquanto a amplitude da mudança de temperatura diminui. A temperatura perto da linha central é relativamente mais baixa em comparação com as laterais, onde a temperatura aumenta gradualmente afastando-se da linha central.

Devido ao desenvolvimento em grande escala das infra-estruturas ocidentais, os túneis construídos em áreas locais estão a tornar-se insuficientes para satisfazer as necessidades regionais. Como resultado, túneis estão sendo construídos em latitudes e altitudes mais elevadas e em regiões mais frias com condições naturais extremamente adversas1,2,3. A construção de túneis nessas áreas acarreta desafios climáticos, geológicos, mecânicos e técnicos mais complexos4. Além disso, é necessário considerar o impacto do frio intenso na resistência ao gelo das estruturas dos portais e das instalações de drenagem, bem como na segurança dos túneis durante a operação. Em particular, a construção de túneis em regiões frias deve ter em conta uma série de problemas relacionados com o frio, tais como o congelamento da drenagem do túnel e o congelamento das condutas de drenagem, que são factores significativos que causam doenças nos túneis5. Estas questões devem ser abordadas para garantir a operação segura e eficiente dos túneis nessas regiões.

Problemas comuns em túneis frios incluem vazamento de água, rachaduras no revestimento e danos por congelamento e degelo6,7. Entre estes, a infiltração de água e o congelamento-degelo podem ter um impacto significativo. Além de considerar as características de construção dos túneis regulares, os túneis frios enfrentam o desafio adicional de danos provocados pelas geadas nas instalações de drenagem. Nas últimas décadas, a China construiu muitos túneis frios. Através de pesquisas no local, descobriu-se que, devido às condições climáticas extremamente adversas e à colocação irracional de instalações de drenagem, cerca de 80% dos túneis frios alpinos apresentam algum grau de danos causados ​​pela geada. Isto não só afeta o seu funcionamento normal, mas também causa grandes acidentes de trânsito, colocando dificuldades significativas para posterior manutenção e prevenção8,9,10. Por exemplo, o Túnel Qidaoliang localizado na província de Gansu e o Túnel Dabanshan localizado na província de Qinghai, na China, sofreram várias doenças, como vazamentos graves de água, congelamento de gelo e rachaduras no revestimento durante a estação fria severa. O congelamento da vala de drenagem torna problemática a drenagem da rocha circundante e das águas subterrâneas atrás do revestimento do túnel, fazendo com que a rocha circundante congele e se levante, afectando seriamente a utilização normal do túnel e consumindo uma grande quantidade de activos11,12. De acordo com pesquisas estatísticas recentes no Japão, quase 30% dos túneis ferroviários apresentam um certo grau de danos causados ​​pela geada. Na região de Hokkaido, no Japão, o problema dos danos provocados pela geada nas estruturas de impermeabilização e drenagem de grandes túneis rodoviários afecta seriamente a utilização normal dos túneis13. Portanto, no processo de construção de túneis em regiões alpinas frias, resolver o problema de isolamento do revestimento do túnel e prevenção de geadas, bem como estabelecer um sistema razoável de impermeabilização e drenagem, são essenciais para evitar danos por geada nos túneis.