排水モードとアンチの研究

Jul 19, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5354 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

トンネルの建設や滞留量の増加に伴い、従来の防水・排水システムでは多雨地域のトンネルのニーズを満たすことができなくなり、トンネル覆工の亀裂や漏水、さらには倒壊などの災害が頻繁に発生しています。トンネルの安全な運営と維持管理を確保するために、本論文は数値シミュレーションと室内試験を通じて従来の防水および排水システムの特性を分析し、新しい排水構造を提案した。円形の排水目隠し管を廃止し、防水板と二次ライニングの間に凸貝排水板を追加した構造です。研究では、新しい排水システムにより、排水構造の詰まりやすい領域の水圧が大幅に低下することが示されています。特別な表面放出モデルを使用すると、遮断された領域から遠く離れたライニングの外部水圧が通常のレベルに迅速に低下します。また、防水板、排水板によって排水能力も異なります。支持圧力が増加すると、排水能力が減少します。ジオテキスタイルが最も減少し、次に毛細管排水板、次に凸型シェル排水板が減少します。同時に、3つの材料の泥水排水試験の結果、凸殻型排水板が最も優れた耐汚泥性能を有することが判明した。この論文の研究は、水の豊富なカルストトンネルの防水および排水構造の設計に有益な試みを提供し、トンネルの安全な運営と保守の保証を提供します。

カルストトンネルの建設が増えるにつれ、トンネル漏水の問題は無数のトンネル建設業者にとって大きな問題となっています。トンネル水の漏洩は、ライニングの腐食、線路や部品の腐食、トンネル床の泥の沸騰などの現象を引き起こします。これらはトンネルの運転環境を悪化させ、トンネル構造の耐久性を危険にさらします。この例としては、貴陽・広州鉄道の高田トンネル、武漢・広州鉄道の虹橋トンネル、上海・昆明鉄道の小さな山岳トンネルなどがあります。昆明・南江鉄道などでは高水圧による逆アーチの変形や損傷が発生し、深刻な経済損失をもたらしている。建設プロセスと運営プロセスのいずれを考慮しても、トンネル地下水の処理はカルスト地域の構造安全性にとって最も重要な問題の 1 つです。多くの学者がこの問題に関して関連する研究を行ってきました。

理論計算では、解析手法を用いて深部埋設高落差トンネル内の漏洩磁界分布を求めた1。 Harr の古典的な非ライニングトンネルの解決法に基づいて、実際の水文環境 (周囲の岩石、グラウトリング、およびライニングを完全なシステムとして考慮) と組み合わせて、浸透場水圧方程式が導出されました 2。さまざまな解析解と数値解を比較し、解析解の信頼性を証明しました3。浸透量を計算するための半理論的解析手法を提案した4。理論解析、室内実験、現場測定により、高水位トンネルに適した構造形式と制御可能な排水方式を提案した5。縮尺モデルを確立し、その結果、PWW 工法は排水条件下でライナーの水圧とひずみを低減できる一方、自由排水条件下では PWW 工法を使用したライナーひずみを約 30% 低減できることが示されました6。 7。三次元数値モデルを確立したところ、トンネルヴォールト内の水圧は低く、逆アーチの水圧は高いことが判明した。水分が豊富なカルストトンネルの場合、半包絡モードおよび半排水モードを使用すると、逆アーチの中心に亀裂が入りやすくなります7。動的水圧の作用下でのライニング水圧の進化則を研究し、逆アーチ水圧を低減するための最適化された排水スキームを提案し、止水と排水の効果を分析しました8。拱北トンネルを例として、弾性半平面における浅水トンネル周囲の浸透によって引き起こされる有効応力を計算するための解析ソリューションが提案されました。ライニングの背後に蓄積される高い水圧が水圧災害の主な原因です。ライニング背後の水圧分布 9 を求めるために、軸対称解析法 10,11 を用いて、周囲の岩盤注入ライニング水圧の解析式とライニング水圧と透水係数の関係を導出した。等角変換法に基づいて、定常浸透状態における円形トンネル覆工にかかる水圧の計算式を導出した12,13,14。等方透水係数のもとでの円形トンネルの安定浸透のための流入水の解析解を確立した。材料面15ではゴムガスケットの防水性能を4つの側面から検討16した。スイス、オーストリアなどでは防水材としてポリエチレンやポリ塩化ビニルが使用されており、広く使用されていると述べた17。複合防水・排水材を開発18,19。新しいタイプの液状防水材（水系透水性結晶系）を導入し、吹き付けコンクリートや型枠コンクリートとの組み合わせの違いをミクロな視点で解析しました。毛細管および凸型シェルの防水および排水ボードは、比較的新しい排水材料です20。屋内排水試験と角度設定を実施して、砂質土壌の排水能力に及ぼす毛細管排水板の影響を調査し、抗シルト性能を調査しました。結果は、路盤、法面、その他の構造物上にある毛細管排水ベルトの角度の値の範囲は 10°～15° が推奨されることを示しています21。 5種類の止水栓で耐水圧・耐久性試験を実施し、拱北トンネルの防水システムに適用しました。構造最適化22の観点から、東天山トンネルに適した防水・排水設計コンセプト、すなわち「1ブロック、2排水、3防止」の施工技術を提案した23。複合防水・排水システム（CWDS）を提案。研究の結果、ブラインドパイプが詰まった場合、トンネル内の従来の排水システムの水圧は急速に上昇するのに対し、CWDS トンネルは効果的に排水して圧力を下げることができることが示されました24。提案された構造の三重最適化対策と研究結果は、中国の高速道路トンネルの排水システムの設計、建設、保守において重要な指導的役割を果たすでしょう25。排水管、防水膜、ジオテキスタイルからなる排水浸透モデルを開発しました。この研究は、初期ライニング透水性と厚さ、円形排水管間の距離、ジオテキスタイルの透水係数の推定など、トンネルの防水および排水システムの最適設計に役立ちます26。数値シミュレーションとモデルテストを通じて、3つの最適化された防水および排水スキームが研究されました。その結果、水が豊富なカルストトンネルに従来の防水および排水スキームが採用された場合、排水システムは逆アーチの水圧を効果的に低減できないことが示されました。トンネル。逆アーチ底部に縦方向ブラインド排水管を追加した場合、削減率は 84% に達し、逆アーチ底部に中央排水溝を設置した場合は 96% まで増加した27。トンネル底部に溜まった水を効率的に排出し、水圧の低減という目標を達成できる、鉄道トンネル底部の排水・減圧システムの新しいコンセプトを提案した28。さまざまな防水および排水形式の下でライニング背後の水圧分布を研究し、防水板の最適な配置計画を提案しました29。周囲の岩盤、補強リング、初期支持構造の強度と透水性を調整することで、防水・排水設計をアクティブにコントロールする新しいコンセプトを提案。トンネルの水圧を積極的かつ合理的に下げるために 30、閉塞防止機能と水圧の自動解放機能を備えた特別に設計された排水システムを提案しました 31。

上記の研究は、従来の排水計画では、水が豊富なカルストトンネルにおけるトンネル漏水問題を解決できないことを示しました。現在、トンネル浸透分野の研究は、トンネル覆工の外部水圧の計算、流入水の予測、新技術や新材料を含めたトンネル防水・排水システムの最適化対策の研究が中心となっています。。詰まりの原因と影響に関する研究はまだ終わっていません。しかし、ブラインド円管間の水圧分布やブラインド非円形管＋凸型シェル防水・排水板の排水効果、局所的な閉塞がトンネル覆工の外部水圧に及ぼす影響についてはほとんど報告が無い。そこで本稿では，円形ブラインドパイプに代わる凸型シェル防水板を用いた防水・排水システムを提案し，屋内実験と数値シミュレーションにより新たな防水・排水構造の排水効果を検討した。

トンネル建設では、地下水がトンネル構造物に侵入するのを防ぐために、伝統的な排水防止システムは主に盲円形排水管、盲縦排水管、防水板、シールストリップ、中央排水溝、側壁排水溝で構成されています。トンネル掘削終了時に初期支承が施され、ある程度の防水の役割を果たします。初期サポートの表面からの浸出水はブラインドパイプによって収集され、中央のドレンによって排出されます。防水プレートとシールストリップにより、地下水によるライニングの浸食を防ぎます。

従来の排水防止システムを図 1 に示します。最初のサポートは、地下水に対する防水の最初の層として機能します。水が初期支持体の表面から浸出すると、ブラインド排水管が浸出水を収集し、中央の排水管に輸送して排出します。しかし、図1b、cに示すように、トンネルの運転中、土壌粒子や化学結晶によりブラインド排水管が詰まる可能性があります。詰まり部分の水圧が急激に上昇し、水圧の上昇によりライニングの亀裂が発生する可能性があります。トンネルの排水システムが麻痺し、トンネルの運転に影響が出る可能性があります。図1bからわかるように、ブラインド排水管は支持圧力の作用により変形しやすく、排水能力の低下につながります。雨季が始まると、排水能力の低下によりライニング背後の水圧が上昇し、ライニングの亀裂や最終的にはトンネル漏水につながります。さらに、建設担当者に対するより高い要件もあります。施工が不適切だと防水板が割れやすくなります。まとめると、トンネルの長期間の運用により、排水システムは徐々に老朽化し、トンネル漏水や覆工亀裂などの問題が発生します。

トンネルの劣化状況の図。 (a) トンネル内の水の流れ。 (b) 劣化の潜在的な原因。 (c) A 部の亀裂からの漏れ。

円周排水管の単純閉塞や防水板のライニング・亀裂による水圧分布の不均一などの問題を解決する新しいタイプの排水システムを提案する。図 2a は最適化された排水防止システムの 3 次元構造図、図 2b は新しい排水システムの断面排水図です。凸型シェル排水防止板は完全なセクション排水の機能を備えています。凸状シェルは、防水板と初期サポートの間に表面排水路を形成するために使用され、環状の表面排水の効果を達成し、集中した円形ブラインドパイプ排水と上部の水圧の不均一な分布の現状を回避します。トンネルの上部にかかるピーク水圧を低減します。

新しい排水システム。

トンネルの軸方向に沿って覆工後方の水圧はほぼ等しく、理論モデルにより排水路を計算できます。図 3 に示すように、シェル排水防止板の断面形状は、縦断トンネル 1 平方メートルあたりのシェル排水防止路の等価管直径を示しており、式 3 に従って計算できます。 (1):

ここで、D0は凸型シェル防水板の通水路の1メートル当たりの等価パイプ直径、mです。 H は凸包の高さ、m です。 D は凸状シェルの底部間隔 m です。 L1 は凸状シェルの底面の直径、m です。 L2 は凸状シェルの上面の直径、m です。 εは凸殻防水板の圧力下における圧縮変形率です。

コンベックスシェル防水板部の模式図。

流体力学によれば、防水板の 1 メートルあたりの余剰水の計算式は次のようになります。

ここで \({\text{Q}}\) は貝殻状防水板の 1 メートルあたりの水流量、m3/d です。 A はパイプラインの面積 m2 です。 R は水力半径 m です。 J は水理勾配です。 C は Xie Cai 係数です。式によると、 (3) から、次のことがわかります。

式では、 (3)、n は壁の平滑度に応じた粗さです。

凸包の高さが 1 cm の場合、圧縮変形率は 0 です。凸包の間隔は 0.5 cm、凸包の底部の直径は 1.6 cm、凸包の上部の直径は 0.8 cm、式 (1) によれば、 (1) の場合、等価パイプ直径は 7.389 cm、パイプライン面積は 42.86 cm2 です。

鉄ガリ山トンネルの外周排水管の直径は5cm、外周盲管の間隔は5m、水路の粗さを仮定するとカルストと地下水の発達範囲は2mに暗号化されていることが知られている。同じです。動水勾配が同じ場合、流量比は式(1)、(2)で計算できます。 (1)、(2)、(3)は次のようになります。

ここで、αは環状排水管と配置間隔における凸貝防水板付き環状排水管との流量比である。 dは円周方向の排水管の配置間隔です。 Dh は円周排水管の直径 m です。等価パイプ直径が 7.389 cm、環状排水管直径が 5 cm の場合、流量比と排水管の間隔レイアウトの関係を図 4a に示します。周方向間隔が5mの場合、流量比とドレン管周径の関係は図4bに示すとおりです。

排出率。

図4aは、同じ流路粗さと動水勾配の下で、環状排水管間隔レイアウトの増加に伴って流量比が線形増加を維持することを示しています。図４ｂから、環状排水管直径の増加に伴い、流量比は減少し続けるが、下降傾向は減少し続けることが分かる。防水外板の１メートル当たりの等価管径が7.389cmの場合、周方向排水管の管径は5cm、周方向排水管の間隔は2mとなる。過剰水比は 5.66 です。環状排水管間隔レイアウトが１０ｍの場合、流量比は２８．３３となる。シェル防水板の１メートル当たりの等価管直径が7.389cmの場合、周方向排水管の間隔レイアウトは5m、周方向排水管の直径は5cmである。流量比は 14.16 です。環状排水管の直径が１０ｃｍの場合、余水率は２．２３となる。上記データによれば、凸殻排水板の排水性能は環状排水管よりも優れていることがわかる。

新しい排水システムと従来のブラインド円形排水管排水システムをライニングした後の水圧の分布法則を研究するために、異なる差し込み距離でライニングした後の水圧の変化の法則を、ABAQUS ソフトウェアを使用して数値シミュレーションに適用しました。伝統的な排水防止システム。防水板とジオテキスタイルを排水防止層として設定し、数値シミュレーションにおいて「防水」と「排水」の役割を果たしました。通常、二次ライニングの透水性は防水の役割を果たすために極めて低いパラメータとして設定され、導水クッションは「排水」の機能を実現するために設定されます。ウォーターガイドクッションはブラインド排水管が設置されていない地域の排水に不可欠な構造であり、このシミュレーションでは凸シェルに代わる役割を果たしました。このモデルは水詰まりを強化するために全断面放射状グラウト注入を採用しており、グラウトリングの厚さは 5 m でした。トンネルの深さは45m、地表からの地下水位の高さは、トンネル掘削の側壁から両側まではトンネル直径の5倍、それより下はトンネル高さの約5倍をとりました。トンネル軸に沿った長手方向の長さは 40 m、模型サイズは 160 m、幅 40 m、高さ 120 m でした。トンネルの三次元浸透モデルを図5に示します。

3次元浸透モデル。

周囲の岩盤とグラウトリングには固体要素シミュレーションが採用されました。機械モデルにはモアクーロン構成モデルが採用されました。等方性浸透モデルが流体モデルに採用されました。ソリッド要素を使用して、ライニング、フィルター層、排水穴をシミュレートしました。機械モデルには弾性構成モデルが採用されました。流体モデルには等方性浸透モデルが採用されました。周囲の岩石の物理的および機械的指数は、地質探査報告書に従って計算されました。数値計算パラメータを表1に示します。

トンネルが掘削されると、初期支持、二次ライニング、および対応する排水パイプライン建設のバランスが再調整され、新しい安定した浸透場の形成がトンネルのライニング構造に新たな影響を与えます。図 6 は、掘削と浸透安定後の従来の排水モードと新しい排水モードのライニングの外部水圧雲図を示しています。

さまざまな防水および排水システムにおける水圧分布に関する研究。

図6に見られるように、従来の排水システムの水圧は排水管にわずかに近い値です。対照的に、2 つの排水管の中央領域の水圧は非常に大きく、「波状」の水圧分布を示しています。その主な理由は、盲周排水管が強力な排水能力を持っているためです。対照的に、ブラインド排水管のないエリアでは、ジオテキスタイルの水輸送能力が弱く、水圧が集中的に分布します。新アンチドレンモードはブラインドリングパイプを廃止し、凸型シェル防水板を採用。トンネル上部の排水能力は同等で、水圧分布は均一で、水圧は従来の排水モードのピーク水圧よりもはるかに低いため、トンネルの「ライン排水」からの転換を実現します。従来の排水システムを新しい排水システムの「表面排水」に置き換えます。アーチとアーチに沿った水圧の分布を図 7 に示します。

異なる排水モードにおける水圧の比較。

図７より、新たな排水モードにおけるアーチおよびボールトの水圧は、およそ０．２０２ＭＰａおよび０．２１４ＭＰａにほぼ維持される。水圧が安定しており、アーチウエストとアーチクラウンとの間の水圧差が小さい。従来の排水システムでは、アーチウエストとボールト観測ラインのピーク水圧はそれぞれ 1.025 MPa と 1.014 MPa です。新しい排水モデルのピーク水圧は、従来の排水モデルと比較して80.29%および78.90%低減されます。

さまざまな排水システムにおける局所的な閉塞がトンネル覆工に及ぼす影響を調査するために、トンネル側壁の軸方向の閉塞が 2 m、4 m、6 m、8 m の 4 つの作業条件をシミュレートして設定しました。新しい防水排水システムのライニングの外部水圧分布の雲図を図8に示します。閉塞長の増加に伴い、閉塞領域の水圧は連続的に増加しました。閉塞長さが 2～6m の場合、閉塞領域のピーク水圧は中間点付近に現れます。円周に沿った水圧の影響範囲には明らかな拡散現象は見られなかった。閉塞長が 8m に達すると、ピーク水圧が両側に移動し、水圧の影響範囲がトンネル上部の非閉塞領域にも広がり始めた。従来の排水システムの異なる目詰まり長さにおけるライニングの外部水圧の雲図を図 9 に示します。目詰まり距離の増加に伴い、目詰まり領域の水圧は増加し続け、これは次のようになります。新しい排水システムにおける水圧の変化規則。排水システムが詰まると、詰まり領域の円周ブラインド排水管が破損します。

片側のブロッキング長が異なる場合のライニングの外部水圧の雲図。

従来の排水システムにおけるさまざまな目詰まり長さのライニングの外部水圧雲図。

図 10 は、影響を受ける地域の範囲内で、従来の排水システムの水圧が新しい排水システムの水圧よりも大幅に高いことを示しています。せき止め区域において、せき止め長さがそれぞれ 2m、4m、6m、8m の場合、新設排水システムのせき止め区域内の周方向の最大水圧は 0.776MPa、0.930MPa、 0.993MPaと1.030MPa。これは、排水システムの閉塞領域が長くなるほど、閉塞領域の水圧は大きくなりますが、その増加傾向は鈍化することを示しています。閉塞領域から遠く離れたライニングの外側の水圧は徐々に通常のレベルに戻りますが、従来の排水システムはゆっくりとしか低下しませんが、新しい排水システム（特殊な表面排水モデルのため）はブラインドサーキュラーに依存しません。排水管が閉塞しているため、詰まった部分付近では水圧がすぐに低下します。また、従来の排水システムのライニング水圧に対する局所的な閉塞の影響範囲は、新しい排水システムよりも大きいことがわかります。新しい排水システムと従来の排水システムの局所的な閉塞がトンネルの逆アーチに及ぼす影響は比較的限定的ですが、新しい排水システムの逆アーチ水圧は従来の排水システムよりわずかに小さくなります。

差込距離の違いによる周方向水圧の比較。

異なる目詰まり距離における 2 つの排水システムの水圧変化曲線を図 11 に示します。従来の排水システムの場合、目詰まり領域の長さが増加するにつれて、目詰まり領域内のクラウンの水圧は徐々に増加します。 0.46MPa（差し込み長さ2mの場合）から0.54MPa（差し込み長さ8mの場合）まで。影響範囲は主に目詰まりエリアの両側のブラインド円周パイプ間ですが、新しい排水システムの場合、片側に詰まりが発生すると、アーチクラウンにかかる水圧がわずかに増加します。詰まり長さが2～6mの場合、平均水圧は約0.243MPaとなります。閉塞長さが8mの場合、平均水圧は0.248MPaとなります。アーチクラウンの圧力変動は従来のドレナージシステムよりも小さいです。

異なる阻止距離でのアーチクラウンの水圧の比較。

閉塞距離の異なる 2 つの排水システムの水圧変化曲線を図 12 に示します。従来の排水システムの場合、盲排水管の配置部分で閉塞が発生した場合、盲円管の排水機能は低下します。通常の排水条件では、この領域で水圧が故障し、水圧が 2 本の盲管の中央領域のピーク水圧まで上昇します。新しい排水システムでは、詰まり領域の水圧が大幅に上昇していることがわかります。目詰まり長さが 2 ～ 6 m の場合、単一ピーク（それぞれ 0.744 MPa、0.897 MPa、0.942 MPa）を示します。目封止長が8mの場合、ピークが2つあり、目封止領域の中点の圧力がピーク圧力よりも低くなります。閉塞領域の水圧は従来の排水システムよりも小さくなります。閉塞の長さが増加する方向では、閉塞領域の影響範囲は大幅に減少し、閉塞領域に限定されます。閉塞エリア周辺では、新排水システム独自の「面放流」モードにより、防水板と初期支持体の間の三次元空間を通って縦方向の排水管に水流を集めることができます。従来のブラインド円周パイプ排水モードは、ほとんどの場合、一定距離にあるブラインド円周パイプに依存して水を収集します。ブラインド排水パイプが閉塞すると、閉塞領域内のブラインドパイプ配置の間隔が指数関数的に増加することを意味します。

異なる遮断距離での腰部の水圧の比較。

排水材の性能はトンネルの通常の動作に直接影響します。既存の研究では、トンネルの排水性能の低下に伴ってトンネル内の地下水位が上昇し、トンネル覆工構造物にかかる負担が大きくなることがわかっています。トンネル排水板の実際の使用条件を真に考慮し、数値シミュレーションの信頼性を検証するために、関連する試験手順に基づいて、鉄道トンネル排水の分類に応じたトンネル防水および排水材の通水性能試験装置を開発しました。ボード (TB/T3354-2014)。試験のために選択された材料は、ジオテキスタイル、シェル排水板、および毛細管排水板でした。ジオテキスタイルは通常、トンネル内の排水クッションとして使用されます。防水プレートを保護するための緩衝層として使用されます。また、水を導き、濾過し、排水する特定の能力も備えています。排水性能の比較を容易にするために、ジオテキスタイルがテストに追加されました。試験した排水材料を表 2 に示します。

凸型シェル排水プレートは、主に高密度ポリエチレンでできており、表面に閉じた凸型シェルがあり、通常は円卓または半球の形状をしています。凸シェルの防水板を初期支持体の表面に取り付けると、図13に示すように、凸シェルは一定の支持高さを提供し、シート状の水路を形成できます。

毛細管排水板は主にPVCで作られています。「重力と毛細管力」により、水流は毛細管の穴の溝に吸い戻され、すぐに満たされます。水の表面張力の作用により、閉じた形状を形成し、設置時の落下を利用して「サイフォン力」を生成します。 3 つの力が組み合わされて、地下水の流れが収集、輸送、排出されます。

ジオテキスタイルの素材は主に合成繊維であり、優れた透水性を備えています。これらは通常、トンネルの排水防止システムの初期サポートと防水プレートの間の排水クッションとして使用されます。ジオテキスタイルは、緩衝、導水、水の濾過、排水の機能を果たします。

凸貝排水板の水路の模式図。

現在、ジオシンセティックスの排水性能試験は、主に「道路工学の土木用合成材料の試験手順」（JTG E50-2006）および「ジオシンセティックスの試験手順」（SL235-2012）に記載されている機器および方法に従って実施されています。）。装置によって提供される水頭差と支持圧力とトンネルの自然環境との間には大きな違いがあるため、試験結果はトンネル内の排水材の実際の状況を反映することができません。そこで、トンネル内の排水板の実際の状況を考慮して、この実験はChen32が開発した排水性能試験装置に基づいています。これは主に、貯水タンク、エアコンプレッサー、面圧負荷装置、水流収集装置で構成されており、排水能力試験と耐閉塞能力試験を実行できます（図14を参照）。

通水性能試験装置。

貯水タンクは厚さ10mm、寸法50×50×100（長さ×幅×高さ）の鋼板で構成されています。水タンクの上部は高力ボルトで水タンクに接続されています。フランジカバープレートと水タンクの間にはゴム製ガスケットが使用されており、水タンクの気密性を確保しています。水槽の上部には、水圧と同じ高さの水槽出口に作用ヘッドを提供する送水パイプとの接続を介して、口径50 mmの注水口があります。ゲージ。これにより、実験室の水圧がタイムリーに記録されます。水タンクの底部に排出口があるため、テスト後に簡単に掃除できます。

水圧負荷装置はエアコンプレッサー、ゴムチューブ、圧力計で構成されています。水タンクが提供できる最大水圧は 10 kPa までです。試験に必要な水圧が水槽の供給可能な最大値を超える場合、水圧負荷装置が必要な水圧を供給します。ジオテキスタイル排水材への常圧の負荷については、「ジオシンセティックスの試験手順」(SL235-2012) に従って、加圧に負荷プレート法が使用されます。 RMT-301 機械的試験システムは、接触圧力負荷装置を提供しました。試験片の力が均一であり、作用領域が要件を満たしていることを確認するために、2 つの剛性パッド (寸法 25 × 25 cm、つまり試験片のサイズよりわずかに大きい) を積載プラットフォーム上に置き、試験片の荷重をシミュレートしました。排水プレート上の二層サポート圧力。排水路と水タンクが接続されており、排水路の端には水の出口のサイズを測定するための段階的な集水タンクが設けられており、上記の装置は合理的で実現可能な機能的な排水性能のセットに組み立てられています。テストデバイス。

排水能力や沈泥防止能力など、さまざまな作業条件下でジオテキスタイル排水材の排水性能をテストし、試験結果が「ジオテキスタイルの面内水流の測定」の動水勾配試験に従ってトンネル建設の指針となるようにする。関連製品 (GB/T 17633-2019) によれば、少なくとも 0.1 および 1.0 の動水勾配を提供する必要があることがわかります。トンネルの深さや水理地質条件を考慮して、試験の最大水圧は100kPa、水圧は20、40、60、80、100kPaに設定した。支持圧力は、現場モニタリングと関連する高速道路および鉄道トンネルの参照に従って取得できます。最大接触圧力は 500 kPa であるため、テストは 50、100、200、300、400、および 500 kPa として設定されます。

排水能力試験では、純水を使用して、さまざまな支持力と水圧の下で地盤工学材料の排水性能を試験します。試験条件を表3に示します。

試験手順の要件によれば、水の流れ方向に沿ったサンプルの長さは少なくとも 20 cm、サンプルの幅は少なくとも 20 cm である必要があります。試験中、排水プレートを 20 × 20 cm に切断し、実験装置に配置する必要があります。サンプルはゴム板の中に封入されています。サンプルは折り目がなく平らである必要があり、周囲に漏れがあってはなりません。試験材料とゴム板は、実験前に浸して材料が飽和するようにする必要があります。試験プロセス中、20 kPa の圧力をかけて試験片を所定の位置に保持した後、試験水をタンクに注入してモデルボックスから排水路を通って水を流し、試験片から気泡を排出します。試験中試験片が常に飽和状態になるように、接触圧力を 50 kPa に調整し、15 分後に出口水流が安定するようにします。エアコンプレッサーを開いて水タンクを目標圧力まで加圧し、水入口流量を調整し、15分間にわたる水の変位を記録し、排水が安定したときを記録することによって試験片の排水能力を決定します。 15 分以内に試験片によって移動された水が記録され、同じ作業条件下で 3 つのグループの試験が実施されます。この動作条件でのデータの平均値をテストデータとします。

耐シルト性試験では、試験水を粒径 1 mm 未満の堆積物で調製した泥水に置き換えます。沈殿物の堆積が試験に影響を与えるのを避けるために、ミキサーが汚れた水を継続的にかき混ぜます。泥水中の堆積物の質量分率は 1% です。試験中の接触圧力は200 kPa、水圧は1 kPaです。排水量と土砂含有量は記録され、地盤排水材の能力を評価する指標として使用されます。

異なる水圧と支持圧力の下での試験材料の通過水性能は、単位時間あたりの流量の変動則を計算することによって研究されます。計算式は次のとおりです。

ここで、q は単位時間あたりの流量です。 \(v_{n}\) は、n 番目の集水タンクの水量の変化です。 \(t_{n + 1}\) は、n 回目の取得の終了時刻です。 \(t_{n}\) は n 番目の取得開始時刻です。

試験の最大入口水量は約 1700 cm3/s であるため、凸型シェル排水板で多くの試験を行った結果、水圧が 1 kPa を超えると流量が最大入口を超えてしまうという結論に達しました。水の流れ。入口流量によって制限されるため、テスト結果をより説得力のあるものにするために、凸型シェル排水プレートのテスト水圧は 0.1 kPa、0.5 kPa、1.0 kPa として選択されました。面圧の異なる3つの材質の通水性能を図15に示します。同じ水圧条件下では、面圧の増加に伴って他の材質の通水性能が低下することがわかります。シェル排水板の水圧が 1 kPa で、接触圧力が 50 kPa から 500 kPa に増加すると、単位時間あたりの流量は 620.7 cm3/s から 565.8 cm3/s に減少します。毛細管排水板の水圧が100kPaの場合、排水性能は8.8%低下しました。接触圧力の増加に伴い、単位時間あたりの吐出量は 785.1 cm3/s から 506 cm3/s に減少しました。ジオテキスタイルでは、排水性能が 35.5% 低下し、単位時間当たりの流量が 58.9 から 25.73 cm3/s に低下し、排水能力が 56.3% 低下しました。ジオテキスタイルの排水能力は接触圧力によって最も影響を受けることがわかります。スノコやジオテキスタイルの有効排水面積は圧縮や変形により減少し、流量減少率は直線的ではありません。接触圧力が 50 kPa から 200 kPa に増加すると、単位時間あたりの流量は急激に減少します。接触圧力が 200 kPa から 500 kPa に増加すると、単位時間あたりの流量減少率が制限されます。

異なる接触圧力による流れの変化。

異なる水圧条件下での毛細管排水板、凸殻排水板およびジオテキスタイルの排水量を図 16 に示します。同じ接触圧力下では、各排水材の排水量は水圧の増加とともに増加することがわかります。水圧の増加は一般に線形関係を維持します。同じ接触圧力の下では、各材料の変形は変化せず、水の通過スペースはそのまま残り、水の吐出量は主に水圧によって決まります。

異なる水圧による流量の変化。

排水システムの長期安定した排水性能を確保するには、排水材は良好な抗シルト能力を備えている必要があります。トンネルの運用中、地表水と地下水の浸透により、コンクリート構造物の一部の水和生成物が水に溶解し、溶解した二酸化炭素と反応して炭酸カルシウムの沈殿物を形成し、排水管を詰まらせる可能性があります。これにより、ライニング内の水圧が上昇し、亀裂が発生する可能性があります。時間が経つにつれて、亀裂は増加し続け、水の浸透によって亀裂を通って堆積物が排水システムに侵入し、結果として排水システムのシルトアップが発生します。ジオテキスタイル、毛細管排水板、凸殻排水板の耐シルト性を調べるために泥水試験を採用し、排水変化率（単位時間）を図17に示します。

流量変化曲線。

図１８からわかるように、凸殻排水板の排水能力はまだ大幅に減衰していない。数回の排水テストの後でも、その変位の相対変化率は依然として 95% を超え、毛細管排水プレートの相対変化率は依然として 80% を超えています。逆に、ジオテキスタイルの排水能力は継続的に減少し、25 回の試験後の変位の相対変化率はわずか約 50% です。試験中、キャピラリードレインプレートの排水は透明ですが、凸型シェルドレンプレートの排水は濁っています。試験後の集水タンク内の沈殿物は図 18a のようになります。試験後、図１８ｂに示すように、ジオテキスタイルとドレンプレートが試験装置から取り外される。

シルティング防止素材のディスプレイ。

試験の終了後、集水タンクとサンプルを乾燥させて重量を測定し、表 4 に示すように、水タンク内および材料表面の堆積物の質量を求めました。

表 4 は、25 回の泥水試験の後、タンク内の沈殿物含有量が 362.7 g に達し、材料表面上の沈殿物の蓄積が 18.3 g に達したことを示しています。これは、同じ水頭勾配であれば貝排水板の流量が大きく、土砂粒子が流れに乗って流れるためである。水の流れにより、細かい粒子や粗い粒子が排水システムに入りやすくなり、粒子の堆積が発生します。凸型シェル排水板とジオテキスタイルの表面は堆積物粒子の層で覆われています。長期にわたる排水プロセス中に、ジオテキスタイルの微粒子はジオテキスタイルに入り込み、細孔に吸着され、ジオテキスタイルの浸透性が急激に低下し、時間の経過とともに排水効率が継続的に低下します。毛細管排水板の場合、毛細管溝の幅はわずか0.3mmであるため、粗大粒子は排水板内に侵入することができず、排水板内の排水路には水流と少数の微粒子のみが侵入します。しかし、これによりドレンプレートの端に粗大粒子が徐々に堆積し、キャピラリドレンプレートの排出面積が減少し、これは多くのテストの結果、排水能力が低下することを示しています。

国内外の文献を徹底的に調査し、理論解析、数値シミュレーション、室内実験を徹底的に組み合わせて、水が豊富なカルストトンネルの覆工部における外部水圧の分布特性と新しい防水・排水を解明しました。システム、研究されています。以下の主な結論が導かれます。

従来の排水システムでは、排水管付近の水圧が小さくなります。 2本の排水管の中間部分の水圧が大きく、波状の水圧分布を示しています。新しい排水モードの水圧はトンネルの上部に均一に分散され、従来の排水システムよりもはるかに低い水圧になります。従来の排水システムの「線排水」は、新しい排水システムの「表面排水」に変換されます。新しい排水システムの上部水圧は、従来のアーチウエストとアーチクラウンの最大水圧と比較して、それぞれ 80.29% と 78.90% 減少します。

数値計算結果によると、従来の排水システムの閉塞領域の水圧は、新しい排水システムのそれよりも大幅に高くなっています。閉塞長さがそれぞれ 2 m、4 m、6 m、8 m の場合 (特殊な地表排水モデルによる)、新しい排水システムの閉塞領域から離れたライニングの外部水圧は徐々に低下します。通常レベル。従来の排水システムはゆっくりと後退し、新しい排水システムの最大周水圧は 0.776 MPa、0.930 MPa、0.993 MPa、1.030 MPa になります。従来の排水システムの最大周水圧は、それぞれ 1.03 MPa、1.06 MPa、1.07 MPa、1.10 MPa です。新しい排水システムのアーチ冠部の平均水圧は 0.24 MPa、アーチ腰部の平均水圧は 0.873 MPa、従来の排水システムのアーチ冠部の平均水圧は 0.53 MPa、アーチウエストの圧力は 1.06 MPa です。したがって、従来の排水システムの閉塞領域の水圧は、新しい排水システムよりも大幅に高くなります。

凸殻排水板の水圧が1kPaで面圧が50kPaから500kPaに増加すると、単位時間当たりの流量は620.7cm3/sから565.8cm3/sに減少し、排水性能は8.8%低下します。毛細管排水板の水圧が100kPaの場合、単位時間当たりの流量は785.1cm3/sから506cm3/sに減少し、排水性能は35.5%低下します。ジオテキスタイルの単位時間当たりの流量は 58.9 から 25.73 cm3/s に減少し、排水能力は 56.3% 減少しました。ジオテキスタイルの排水能力は接触圧力によって最も影響を受け、次に毛細管排水プレートが影響することがわかります。毛細管排水プレートとジオテキスタイルの有効排水面積は、圧縮変形により急激に減少しました。

25回の泥水排水試験の後、凸型シェルスノコの排水能力は99％から94％に減少し、5％減少しました。毛細管排水板の排水能力は 97% から 81% に減少し、16% 減少しました。ジオテキスタイルの排水能力が最も大きく減少し、94% から 50% に 44% 減少しました。凸型シェル排水プレートの多孔性が大きいため、水流の作用により粗大粒子や微細粒子が排水システムに入りやすくなり、粒子の沈泥が発生します。ジオテキスタイルの長期にわたる排水プロセス中に、微粒子は非常に簡単にジオテキスタイルに入り込み、細孔に吸着され、時間の経過とともにジオテキスタイルの排水が継続的に低下します。毛細管排水板の場合、毛細管溝の幅はわずか0.3 mmなので、粗大粒子は排水板の内部に侵入できません。排水板内の排水路には水の流れと少量の微粒子のみが入ります。しかし、これにより、粗大粒子が徐々に排水板の端に堆積し、多くのテスト後の排水能力の低下で示されているように、毛細管排水板の端での排水面積が減少します。。

同じ面圧の下では、水圧の増加に伴って排水材の水容量も増加し、一般に直線関係を維持します。同じ水圧であれば面圧の増加とともに水容量は減少し、その減少度合いは徐々に減少します。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータがこの記事に含まれています。

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著者らは、中国自然科学財団（助成金番号 52168056）、貴州省基礎研究プロジェクト（[2020]1Y250）、貴州省普通大学青少年科学技術人材育成プロジェクト（ [2021]101)、(中国建設技術)Qiankehe Support [2021]一般 311。

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Cong Zhang、Ning Liu、Kun Chen、FangZhou Ren

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転載と許可

Zhang、C.、Liu、N.、Chen、K. 他。トンネル内の新たな防水・排水システムの排水モードと閉塞性能に関する研究。 Sci Rep 13、5354 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9

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受信日: 2022 年 12 月 12 日

受理日: 2023 年 3 月 29 日

公開日: 2023 年 4 月 1 日

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

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