새로운 3개의 FEM 분석

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10850(2023) 이 기사 인용

156 액세스

측정항목 세부정보

물이 풍부한 지역의 경우, 수압이 높은 터널 입면 아치는 종종 입면 아치 균열 및 누수, 부풀어오르기 및 기타 고장을 유발합니다. 배수 시스템이 적절하게 설계되지 않으면 이러한 실패가 더 자주 발생하며 기존의 도로 터널 배수는 입면 아치의 수압을 효과적으로 줄일 수 없습니다. 따라서 본 논문에서는 "삼방향 배수"라는 새로운 개념을 제안한다. 3방향 배수 시스템은 입면 아치에 새로운 배수 입구가 있는 기존 배수 시스템을 기반으로 합니다. 이를 바탕으로 라이닝의 3방향 배수 시스템의 감압 성능을 검증하기 위해 일련의 수치 시뮬레이션 연구가 수행되었습니다. 실증 및 분석 결과, 3방향 배수 개념은 터널 입면 아치의 수압을 효과적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 터널의 전반적인 배수 효과에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. 3방향 배수 시스템의 성능에 영향을 미치는 요인은 모델 매개변수를 변경하여 평가됩니다. 주변암반의 수리전도계수와 초기 지지대, 입면아치의 역전환 구멍 수, 헤드 높이의 변화, 2차 라이닝 매개변수의 변화 모두 외부 수압에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 터널.

국가의 경제 발전은 필연적으로 도로, 철도 및 기타 기반 시설의 건설과 연결됩니다. 중국은 최근 몇 년간 터널 건설 분야에서 놀라운 성과를 거두었습니다. 예를 들어, 2020년 말까지 중국의 총 도로 주행거리는 5,198,100km에 달해 2019년보다 185,600km 증가했으며, 중국의 도로 터널은 무려 21,316km, 총 거리 21,999,300m에 달했습니다. 도로터널을 건설하는 동안 여러 차례의 고장사고가 발생했습니다. 이러한 문제 중 높은 수압으로 인한 도로 터널 라이닝의 균열은 터널 안전에 영향을 미치는 심각한 요인이 되었으며 업계의 관심도 끌었습니다1,2. 터널 라이닝 균열 실패의 유형에는 아치 벽 균열, 고압 물 주입 및 고도 아치 돌출이 포함됩니다3,4,5,6. 도로 터널의 돌출된 노반은 터널의 수명에 심각한 영향을 미칠 뿐만 아니라 교통 안전에도 위험을 초래합니다. 고속도로의 돌출된 아치가 눈에 띄지 않더라도 고속으로 운전하는 차량에 심각한 교통 사고를 일으킬 수 있습니다7,8. 터널 고도 아치 돌출은 단지 높은 수압으로 인한 높은 지반 응력 때문만은 아닙니다. 터널의 홍수 시즌 배수가 적시에 이루어지지 않으면 고저 아치에 집중된 높은 수압으로 인해 암석이 흡수되고 팽창하여 암석이 부드러워지고 터널 고저 아치가 돌출될 수 있습니다. 따라서 터널 라이닝 구조를 손상시키는 높은 수압 등의 문제를 경제적이고 효과적으로 해결하는 것이 중요합니다. 현재 라이닝 손상을 줄이는 방법은 여러 가지가 있으며, 그 중 효과적이고 효율적인 배수 시스템이 현재 터널의 압력을 줄이는 주요 방법입니다9.

현재 고속도로 터널의 방수 및 배수 전략에는 지하수가 터널로 유입되는 것을 허용하지 않는 완전 밀폐 모델과 지하수가 터널로 유입되도록 하는 배수 모델의 두 가지 주요 전략이 있습니다. 완전 밀폐형 모델은 자연환경 보호 구역 등 특수한 장소나 터널로 장기간 배수가 불가능하여 지반에 중요한 건물이 있어 침하가 발생하는 장소에 많이 사용됩니다. 일반적으로 라이닝 구조와 방수층의 강도 요구 사항은 높습니다. 따라서 비자연 보호 지역의 경우 일반적으로 터널 라이닝의 외부 수압을 줄이기 위해 배수 시스템이 사용됩니다. 현재 국내외 학자들은 일련의 이론적 분석, 모델 테스트, 현장 테스트 및 수치 시뮬레이션을 통해 높은 수압이 터널 라이닝의 구조적 응력 특성에 어떤 영향을 미치는지 연구하고 있습니다10,11,12,13,14,15. 이론적으로는 Harr를 기반으로 물이 풍부한 지역의 도시터널에서 간극수압의 공간적 분포를 연구하고, 침투장에 대한 수압식을 도출하였다16. 탄성 반면 수중터널17의 응력 분포를 분석하기 위해 복소변수 분석이 사용되었습니다. 터널 물 유입에 대한 반분석적 접근 방식이 제안되었습니다18. 고수위 터널에 적합한 구조적 형태와 조절배수방식의 구조적 형태를 제안하였고, 이론적 분석, 실내시험 및 현장측정을 통해 터널 라이닝의 수압분포를 연구하였다19. 주변 식생에 대한 터널 배수의 영향을 연구하기 위해 지역적으로 결합된 수문학 모델을 기반으로 한 평가 프레임워크가 개발되었습니다20,21,22,23. 그러나 현재 터널 배수 방지에 대한 연구 결과는 기존의 배수 방법을 포함하고 있습니다. 이는 완전 폐쇄에 비해 라이닝 외부의 수압 감소에 상당한 영향을 미치지만 터널 아치 벽 주변의 압력에만 상당한 압력 감소 효과가 있습니다. 재료 측면에서는 배수된 토목섬유 필터의 평면 내 투과성 테스트를 수행하여 터널의 수력 저하 메커니즘을 평가했습니다24,25. 터널 배수 촉진을 위한 최적의 경량 폼 모르타르 혼합물을 복합 라이닝 공법을 사용하여 검토했습니다. 방수 및 통기성 소재는 전기방사된 나노섬유를 기반으로 설계되었습니다. 구조적인 측면에서는 볼록한 선체 배수 슬래브를 포함하는 새로운 배수 구조가 수치 시뮬레이션과 실내 시험을 통해 제안되었습니다. 3D 프린팅 기술로 터널 배수 시스템을 구축하고 배수 시스템 막힘에 대한 시뮬레이션 테스트를 수행했습니다29. 세 가지 방수 및 배수 최적화 방안이 제안되었는데, 여기서 인버스트 바닥에 중앙 배수구를 배치하는 것이 수압을 96%9 줄이는 데 가장 큰 영향을 미쳤습니다. 압력을 감소시키는 상향식 철도터널 배수공법이 제안되었다30. 높은 LWP 균열 구역을 가로지르는 산악 터널의 배수 문제를 해결하기 위해 새로운 배수 네트워크가 제안되었습니다31. 그들은 중국의 다양한 특수 터널의 방수 요구 사항과 건설 조치를 연구하고 분석했습니다32,33,34. 위의 연구에서는 터널 수압 문제를 탐구하고 다양한 솔루션(외부 수압 계산, 터널 방수 및 배수 시스템 최적화, 신기술 및 재료 등)을 사용했지만 수압이 터널에 미치는 영향을 효과적으로 완화하는 방법은 고려하지 않았습니다. 터널 고도 아치의 라이닝 구조. 동시에 터널 외부의 수압이 증가하는 원인을 분석했지만 터널 입면 아치의 수압이 라이닝 구조에 미치는 영향을 효과적으로 줄이는 방법에 대해서는 고려하지 않았습니다.