배수모드 및 방지에 관한 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5354(2023) 이 기사 인용

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터널 건설 및 유지가 증가함에 따라 전통적인 방수 및 배수 시스템은 폭우 지역의 터널 요구 사항을 충족할 수 없으며 터널 라이닝 균열, 누수, 심지어 붕괴와 같은 재해가 자주 발생합니다. 본 논문에서는 터널의 안전한 운영과 유지관리를 위해 기존 방수 및 배수 시스템의 특성을 분석하고, 수치 시뮬레이션과 실내 시험을 통해 새로운 배수 구조를 제시한다. 이 구조는 원형 배수 블라인드 파이프를 제거하고 방수판과 보조 라이닝 사이에 볼록한 껍질 배수판을 추가합니다. 연구에 따르면 새로운 배수 시스템은 배수 구조물의 쉽게 막히는 부분의 수압을 크게 감소시키는 것으로 나타났습니다. 특수 표면방출 모델을 적용하여 막힌 부분에서 멀리 떨어진 라이닝의 외부 수압을 빠르게 정상 수준으로 되돌릴 수 있습니다. 또한, 다양한 방수 및 배수 보드의 배수 용량이 다릅니다. 지지 압력이 증가하면 배수 용량이 감소합니다. 토목섬유가 가장 많이 감소하고 모세관 배수판과 볼록 껍질 배수판이 그 뒤를 따릅니다. 동시에, 세 가지 재료의 흙탕물 배수 테스트 후 볼록형 쉘형 배수판이 최고의 슬러지 방지 성능을 갖는 것으로 나타났습니다. 본 논문의 연구는 물이 풍부한 카르스트 터널의 방수 및 배수 구조 설계에 대한 유익한 시도를 제공하고 터널의 안전한 운영 및 유지 관리를 보장합니다.

점점 더 많은 카르스트 터널이 건설됨에 따라 터널 누수 문제는 수많은 터널 건설업자에게 큰 문제가 되었습니다. 터널 물이 누출되면 라이닝 부식, 선로 및 부품 부식, 터널 바닥 진흙 비등 및 기타 현상이 발생합니다. 이는 터널 운영 환경을 악화시키고 터널 구조의 내구성을 위협합니다. 이에 대한 예로는 구이양-광저우 철도의 가오티안 터널, 우한-광저우 철도의 훙차오 터널, 상하이-쿤밍 철도의 작은 산 터널이 있습니다. 쿤밍-난장 철도 등에서는 높은 수압으로 인한 역아치 변형 및 손상이 발생해 심각한 경제적 손실을 입었습니다. 건설 과정이나 운영 과정을 고려하더라도 터널 지하수 처리는 카르스트 지역의 구조적 안전을 위한 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 이 문제에 관해 많은 학자들이 관련 연구를 진행해 왔다.

이론적 계산 측면에서 해석적 방법1을 사용하여 깊이 매설된 고수두 터널의 누설 전계 분포를 구했습니다. 실제 수문학 환경(주변 암석, 그라우팅 링 및 라이닝을 완전한 시스템으로 취함)과 결합된 Harr의 안감이 없는 터널에 대한 고전적인 솔루션을 기반으로 삼출 현장 수압 방정식이 도출되었습니다2. 다양한 해석해법과 수치해석법을 비교하여 해석해법의 신뢰성을 입증하였습니다3. 누출량 계산을 위한 반이론적 분석 방법을 제안4. 이론적 분석, 실내시험 및 현장측정을 통해 고수위 터널에 적합한 구조 형태와 제어 가능한 배수 방식을 제안하였다5. 규모 모델을 구축한 결과, PWW 공법은 배수 조건에서 수압과 라이닝의 변형률을 감소시킬 수 있는 반면, 자유 배수 조건에서는 PWW 공법을 이용한 라이너 변형률을 약 30% 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다6, 7. 3차원 수치모델을 구축한 결과, 터널 볼트의 수압은 낮고 역아치 수압은 높은 것으로 나타났다. 물이 풍부한 카르스트 터널의 경우, 반 외피 및 반 배수 모드를 사용할 때 역아치의 중앙이 쉽게 균열되었습니다7. 동적수압 작용에 따른 라이닝 수압의 진화 법칙을 연구하고, 역아치 수압을 감소시키기 위한 최적화 배수 방안을 제안하고, 누수 방지 및 배수 효과를 분석하였다8. 공베이 터널을 예로 들면, 탄성 반면에서 얕은 물 터널 주변의 누출로 인한 유효 응력을 계산하기 위한 해석 솔루션이 제안되었습니다. 라이닝 뒤쪽에 쌓인 높은 수압이 수압재해의 주요 원인이다. 라이닝 뒤의 수압분포를 파악하기 위해9, 축대칭 해석방법10,11을 이용하여 주변 암석 그라우팅 라이닝 수압의 해석식과 라이닝 수압과 투수계수의 관계를 도출하였다. 등각변환법을 바탕으로 정상삼출상태에서 원형 터널 라이닝의 수압 계산식을 도출하였다12,13,14. 등방성 투과계수 하에서 원형터널의 안정적인 삼출을 위한 물 유입 해석 솔루션을 확립했습니다. 재료 측면에서15 고무 가스켓의 방수 성능을 네 가지 측면에서 연구했습니다16. 스위스, 오스트리아 및 기타 국가에서는 폴리에틸렌과 폴리염화비닐을 방수재로 사용하며 널리 사용되고 있다고 명시되어 있습니다17. 복합 방수 및 배수 재료 개발18,19. 새로운 형태의 액상방수재(수성투과성 결정형)를 도입하고, 이 소재와 숏크리트, 거푸집 콘크리트의 조합과의 차이점을 미시적인 관점에서 분석하였다. 모세관 및 볼록 쉘 방수 및 배수 보드는 비교적 새로운 배수 재료입니다. 실내 배수 시험을 실시하고 각도를 설정하여 침사 방지 성능을 연구함으로써 모세관 배수판이 사질 토양의 배수 능력에 미치는 영향을 연구했습니다. 결과는 노반, 경사 및 기타 구조물에 놓이는 모세관 배수 벨트의 각도 값 범위가 10°–15°21인 것으로 나타났습니다. 5개 방수판에 대한 내수압 및 내구성 테스트를 실시하고 이를 공베이 터널 방수 시스템에 적용했습니다. 구조적 최적화 측면에서22, East Tianshan 터널에 적합한 방수 및 배수 설계 개념인 "1블록, 2배수 및 3방지" 건설 기술을 제안했습니다23. 복합 방수 및 배수 시스템(CWDS)을 제안했습니다. 연구 결과에 따르면 막힌 관이 막힌 경우 터널 내 기존 배수 시스템의 수압이 급격히 증가하는 반면 CWDS 터널은 효과적으로 배수하고 수압을 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다24. 제안된 구조의 3중 최적화 조치와 연구 결과는 중국 고속도로 터널 배수 시스템의 설계, 건설 및 유지 관리에 중요한 지침 역할을 할 것입니다25. 배수관, 방수막, 토목섬유로 구성된 배수 누출 모델을 개발했습니다. 본 연구는 내부 라이닝의 초기 투수성과 두께, 원형 배수관 사이의 거리, 토목섬유의 수력전도도 등을 추정하는 등 터널 방수 및 배수 시스템의 최적 설계에 도움이 된다26. 수치 시뮬레이션과 모델 테스트를 통해 세 가지 최적화된 방수 및 배수 방식이 연구되었으며, 그 결과 물이 풍부한 카르스트 터널에 기존의 방수 및 배수 방식을 채택할 경우 배수 시스템이 역아치의 수압을 효과적으로 감소시킬 수 없는 것으로 나타났습니다. 터널. 역아치 하부에 종방향 블라인드 배수관을 추가한 경우 감소율은 84%에 이르렀고, 역아치 하부에 중앙 배수로를 설치한 경우 감소율은 96%로 증가하였다27. 터널 바닥에 축적된 물을 효율적으로 배출하고 수압 감소 목표를 달성할 수 있는 철도 터널 바닥의 배수 및 압력 감소 시스템에 대한 새로운 개념을 제안했습니다. 다양한 방수 및 배수 형태에 따른 안감 뒤의 수압 분포를 연구하고 방수판의 최적 배치 계획을 제시했습니다. 주변암반과 보강링, 초기지지구조물의 강도와 투수성을 조절하여 방수 및 배수설계를 능동적으로 제어하는 ​​새로운 개념을 제안하였다. 터널 수압30을 적극적이고 합리적으로 낮추기 위해 막힘 방지 및 수압 자동 해제 기능을 갖춘 특별히 설계된 배수 시스템을 제안했습니다31.