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Apr 22, 2024

Cambio del campo de temperatura alrededor de diferentes estructuras de drenaje en un túnel de región fría basado en pruebas de modelos

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 13967 (2023) Citar este artículo 48 Accesos Detalles de métricas La disposición inadecuada de las estructuras de drenaje y las medidas de aislamiento inadecuadas en los túneles fríos pueden

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13967 (2023) Citar este artículo

48 Accesos

Detalles de métricas

Una disposición inadecuada de las estructuras de drenaje y medidas de aislamiento inadecuadas en túneles fríos pueden provocar distintos grados de formación de escarcha durante el funcionamiento. Este estudio se centra en el túnel de la autopista Hongtoushan como ejemplo, donde las características de distribución del campo de temperatura alrededor de la estructura de drenaje inferior bajo diferentes disposiciones se investigan mediante pruebas de modelos en interiores. Los resultados indican que existe un fenómeno de histéresis significativo en los cambios de temperatura a lo largo de la sección transversal a medida que aumenta la profundidad del entierro. A medida que aumenta la profundidad de enterramiento de la roca circundante, el tiempo de histéresis de los cambios de temperatura se alarga gradualmente. El patrón de variación de temperatura se puede aproximar mediante un polinomio cúbico. En la sección vertical, a medida que aumenta la profundidad del túnel, la temperatura de la roca circundante en la parte inferior del túnel aumenta gradualmente mientras que la amplitud del cambio de temperatura disminuye. La temperatura cerca de la línea central es relativamente más baja en comparación con los lados, donde la temperatura aumenta gradualmente alejándose de la línea central.

Debido al desarrollo a gran escala de la infraestructura occidental, los túneles construidos en áreas locales se están volviendo insuficientes para satisfacer las demandas regionales. Como resultado, se están construyendo túneles en latitudes y altitudes más altas y en regiones más frías con condiciones naturales extremadamente duras1,2,3. La construcción de túneles en estas zonas plantea desafíos climáticos, geológicos, mecánicos y técnicos más complejos4. Además, es necesario considerar el impacto del frío severo en la resistencia a las heladas de las estructuras de los portales y las instalaciones de drenaje, así como en la seguridad de los túneles durante la operación. En particular, la construcción de túneles en regiones frías debe tener en cuenta una serie de problemas relacionados con el frío, como la congelación del drenaje del túnel y el levantamiento por heladas de las tuberías de drenaje, que son factores importantes que causan enfermedades en los túneles5. Estas cuestiones deben abordarse para garantizar la operación segura y eficiente de los túneles en dichas regiones.

Los problemas comunes en los túneles fríos incluyen fugas de agua, grietas en los revestimientos y daños por congelación y descongelación6,7. Entre ellos, la filtración de agua y el congelamiento y deshielo pueden tener un impacto significativo. Además de considerar las características de construcción de los túneles normales, los túneles fríos enfrentan el desafío adicional de los daños por heladas en las instalaciones de drenaje. En las últimas décadas, China ha construido muchos túneles fríos. A través de investigaciones in situ, se ha descubierto que debido a las condiciones climáticas extremadamente duras y la ubicación irrazonable de las instalaciones de drenaje, alrededor del 80% de los túneles fríos alpinos sufren algún grado de daño por heladas. Esto no sólo afecta a su normal funcionamiento sino que también provoca importantes accidentes de tráfico, planteando importantes dificultades para su posterior mantenimiento y prevención8,9,10. Por ejemplo, el túnel Qidaoliang ubicado en la provincia de Gansu y el túnel Dabanshan ubicado en la provincia de Qinghai en China han experimentado diversas enfermedades, como graves fugas de agua, hielo colgado y grietas en los revestimientos durante la severa estación fría. La congelación de la zanja de drenaje hace que sea problemático drenar la roca circundante y el agua subterránea detrás del revestimiento del túnel, lo que provoca que la roca circundante se congele y se agite, afectando gravemente el uso normal del túnel y consumiendo una gran cantidad de activos11,12. Según recientes estudios estadísticos realizados en Japón, casi el 30% de los túneles ferroviarios sufren algún grado de daño por heladas. En la región de Hokkaido en Japón, el problema de los daños por heladas en las estructuras impermeables y de drenaje de los grandes túneles de autopistas afecta gravemente al uso normal de los túneles13. Por lo tanto, en el proceso de construcción de túneles en regiones frías alpinas, resolver el problema del aislamiento del revestimiento del túnel y la prevención de heladas, así como establecer un sistema razonable de impermeabilización y drenaje, son fundamentales para prevenir daños por heladas en los túneles.

Las técnicas tradicionales para bloquear y drenar las fugas de agua y tratar las grietas del revestimiento gradualmente no pueden satisfacer las necesidades actuales, y se necesitan nuevas investigaciones sobre las estructuras de drenaje10,11,12,13,14. Kim et al.15 estudiaron las causas de la filtración de agua en túneles fríos alpinos mediante el desarrollo de nuevas estructuras de drenaje de túneles. Liu et al.16 introdujeron los principios básicos, ideas y medidas específicas para el tratamiento de enfermedades como fugas de agua, aislamiento y refuerzo del revestimiento en el túnel frío de Dabanshan analizando las causas de las enfermedades de los túneles. Para reducir el riesgo de bloqueo en el sistema de drenaje del túnel, Liu et al.17 determinaron la distribución de defectos en túneles de carreteras a través de investigaciones en el sitio, experimentos en interiores y análisis de la literatura, y propusieron un método de optimización para la estructura de drenaje del túnel. Ji et al.18 propusieron que la tubería de drenaje circular debería conectarse directamente a la tubería de drenaje central, y se debería instalar una capa de aislamiento en tiras en áreas donde la roca circundante es rica en agua y las partes media e inferior de la tubería de drenaje circular. son propensos a congelarse. Conectar el tubo de drenaje circular al tubo de drenaje central en el canal frío es beneficioso para el aislamiento del túnel. Para impermeabilizar estrictamente y mejorar el sistema de drenaje del túnel, Lu et al.19 propusieron un plan para la capa aislante de la tira decorativa frente a la tubería de drenaje circular del túnel. La tubería de drenaje circular está conectada directamente a la tubería de drenaje central y la tubería de drenaje longitudinal está conectada a la tubería de drenaje circular a través de una T19. Luo et al.20 propusieron medidas anticongelantes utilizando zanjas centrales, zanjas centrales profundas, capas protectoras térmicas y orificios de drenaje para abordar los distintos grados de daño por congelación en los túneles. La forma estructural de utilizar un revestimiento compuesto y colocar capas impermeables entre el revestimiento no sólo es beneficiosa para la impermeabilización y el drenaje, sino también para la prevención de heladas. Los resultados de la investigación de los académicos mencionados anteriormente demuestran plenamente que la impermeabilización en túneles fríos es la base, el drenaje es el núcleo y la prevención de heladas es la clave.

Este artículo se centra en el túnel de la montaña Hongtu ubicado en la línea S308 en la provincia de Qinghai. Para estudiar el impacto de las condiciones de aislamiento en la distribución del campo de temperatura alrededor de la estructura de drenaje del túnel, se realizó una prueba con un modelo a escala. Los resultados de las pruebas obtenidos tanto de la sección transversal como de la sección vertical del túnel, teniendo en cuenta la profundidad de la roca circundante y la profundidad del túnel, se analizaron para comprender las características de distribución del campo de temperatura. El objetivo final de esta investigación es mitigar los problemas relacionados con los túneles causados ​​por un drenaje inadecuado en los túneles fríos, y al mismo tiempo proporcionar información valiosa para la construcción y operación segura de los túneles.

El proyecto se basa en el túnel Hongtushan en la provincia de Qinghai, con un terreno y accidentes geográficos complejos y variados, con una elevación de aproximadamente 4000 a 4800 m. El túnel Hongtushan es un túnel de conducción bidireccional de un solo orificio con un ancho neto de 13,0 m y una altura neta de 5,0 m. La elevación de la superficie de la carretera de entrada del túnel es de 4280 m, y la elevación de la superficie de la carretera de salida es de 4350 m. La longitud total del túnel es de 3170 m. La elevación de la superficie de la carretera de diseño es de 4280,83 a 4352,90 m, la pendiente longitudinal de diseño es del 2,4%. La dirección del eje es de 261° y la profundidad máxima de enterramiento del túnel es de 277 m. El proyecto Red Soil Mountain Tunnel está situado en el corazón de una meseta interior, con grandes altitudes, temperaturas relativamente bajas, abundante luz solar, fuerte radiación solar y un clima continental típico de meseta caracterizado por períodos lluviosos y calurosos simultáneos. La ubicación del túnel experimenta inviernos prolongados y veranos breves, con transiciones estacionales borrosas y variaciones sustanciales de temperatura entre el día y la noche. La temperatura media anual es de 0,4 °C, con una temperatura media máxima de 11,7 °C y una temperatura media mínima de -3,2 °C. Las temperaturas extremas pueden elevarse hasta 28,7 °C en su punto máximo y caer hasta -27,6 °C en su punto más frío. El aire es escaso y no existe un período definitivo libre de heladas. La profundidad máxima de congelación mide aproximadamente 2,98 m. Las condiciones hidrogeológicas en el área del túnel son excepcionalmente complejas y se atribuyen principalmente a la presencia generalizada de suelo congelado estacionalmente. Esta característica añade un aspecto distintivo a la zona. En consecuencia, considerando factores como los patrones de distribución del agua subterránea a lo largo de la ruta, la región se puede clasificar en tres categorías distintas: la capa de agua superior situada sobre la capa congelada en la zona de suelo congelado estacional, la capa de agua inferior debajo de la capa congelada y el agua subterránea dentro de la zona de deshielo.

Para satisfacer los requisitos del sitio, es necesario que el modelo del túnel cumpla con la similitud geométrica, la similitud de tiempo y temperatura, la similitud de conductividad térmica y la similitud de capacidad calorífica específica. La precisión de la similitud específica se basa en el método de investigación propuesto por Lai et al.21.

Hay tres teoremas de similitud principales que deben seguirse en la prueba de modelos: el teorema de similitud, el teorema π y el teorema de similitud inversa. El modelo de túnel y el prototipo deben satisfacer los siguientes requisitos de similitud: similitud geométrica, similitud de condiciones de contorno y similitud de parámetros termodinámicos.

Similitud geométrica: Las dimensiones geométricas del ensayo del modelo deben reducirse proporcionalmente a las dimensiones reales del túnel. La relación de similitud de longitud viene dada por:

A partir de la constante de similitud de longitud, la relación de similitud de área y la relación de similitud de volumen se pueden derivar como:

Aquí, C representa una constante, l representa el tamaño, p representa el prototipo y m representa el modelo.

Las condiciones límite en las pruebas del modelo de túnel pueden variar con el tiempo y la temperatura, y también se debe mantener la similitud de las condiciones límite en términos de tiempo y temperatura.

La conductividad térmica y la capacidad calorífica específica de los materiales seleccionados para el ensayo del modelo de túnel, así como los materiales aislantes térmicos y anticongelantes, deberán ser similares a los del prototipo.

Teniendo en cuenta factores como la operatividad experimental, la relación de reducción geométrica de la sección transversal del túnel se estableció en 1:24, a pesar de que la profundidad total del prototipo del túnel es de 3020 m. Esta se determinó como la proporción óptima para la prueba del modelo a escala. Para estructuras con una esbeltez relativamente grande dentro del túnel, se debe utilizar un modelo de tasa variable si se realiza una prueba de modelo a escala en toda la estructura. En este estudio, se determinó que la tasa variable en la dirección de la profundidad del modelo de túnel era 41,94, y la profundidad del modelo de túnel se fijó en 3 m, el diámetro interior del túnel es de 30 cm, el espesor de la capa de aislamiento es de 3cm.

La profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central en el túnel original es de 2,9 m, mientras que el túnel de alivio frío tiene una profundidad de enterramiento de 4,5 m. Debido a las limitaciones en las condiciones del sitio de prueba y la operatividad de las pruebas, se determinó una relación de reducción geométrica de 1:24 para la profundidad de enterramiento de la estructura de drenaje. En consecuencia, se determinó que la profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central era de 12 cm, mientras que la profundidad de enterramiento del túnel de alivio del frío se estableció en 19 cm. También se determinó que el diámetro de la tubería de la zanja de drenaje central era de 2,0 cm.

La relación de mezcla final del hormigón de revestimiento se determina como: agua: cemento: arena: piedra = 0,38: 1: 1,11: 2,72, con una conductividad térmica de 2,410 W/m K, que equivale aproximadamente a la conductividad térmica del hormigón estándar modelo C25. de 2,461 W/m·K.

La proporción de mezcla de los materiales rocosos circundantes es: agua: arena: cal: piedra: suelo = 0,35: 1,5: 0,2: 0,6: 2,0, y la conductividad térmica se toma como el valor promedio de 2,64 W/m K para diferentes tipos de rocas. usado. Los parámetros de los materiales rocosos circundantes se muestran en la Tabla 1.

La conductividad térmica del material rocoso circundante del modelo de túnel es similar a la de la roca circundante del túnel en el sitio. Se obtiene una proporción de material razonable mediante la prueba de proporción y luego se mezclan varios materiales uniformemente en proporción de acuerdo con los resultados de la prueba de proporción. Una vez finalizada la producción del modelo, se vierte el modelo. Para evitar que las colinas del modelo sean demasiado pesadas, se puede aumentar adecuadamente el grado de resistencia del hormigón y se puede utilizar hormigón de grado C30. La preparación del modelo experimental se muestra en la Fig. 1. La producción de modelos de túneles se basa en el plan de investigación de Liu et al.11. Liu et al.11 refiriéndose a las condiciones del sitio del túnel Dabanshan y la operatividad de la prueba del modelo, el modelo de túnel interior se construyó mediante reducción de escala, con una longitud de túnel de 3 m y diámetros internos y externos de 12,2 cm; 13,2 cm. Los materiales rocosos circundantes del túnel se prepararon en base a las condiciones del sitio, utilizando 7,5% de agua, 32,2% de arena, 4,3% de cal, 12,9% de nivel y 43,0% de tierra11.

Prefabricación del dispositivo modelo. (a) Mezcla de materiales rocosos circundantes; (b) diseño de malla de alambre de acero del túnel modelo; (c) capa de aislamiento y disposición del sensor; d) vertido de hormigón; (e) incrustación de termómetro; (f) adquisición de datos.

En el experimento, se utilizaron tuberías de PVC como zanja de drenaje central y como orificios de drenaje anti-frío. Luego se conectaron ambos mediante una manguera de 8 mm. Se coloca un tanque de agua a cierta distancia sobre la parte superior del túnel, y la salida del tanque de agua está conectada a una tubería de PVC. Se coloca una válvula de drenaje en la tubería de PVC para controlar el flujo de agua ajustando la válvula. La Figura 2 muestra la disposición del sistema de drenaje.

Disposición del sistema de drenaje. (a) Diagrama esquemático de la estructura de drenaje; (b) disposición de la estructura de drenaje.

Se realizaron dos esquemas de prueba de drenaje. El Esquema I implicó establecer las condiciones de aislamiento para el arco invertido y la zanja de drenaje central, mientras que el Esquema II implicó establecer las condiciones de aislamiento para el arco invertido, la zanja de drenaje central y el túnel de drenaje anti-frío. Las condiciones específicas de aislamiento se detallan en la Fig. 3.

Esquema de aislamiento térmico para estructura de drenaje de túnel. a) Plan I; b) régimen II.

Después de completar el diseño del sensor de temperatura y la estructura de drenaje, se coloca el túnel modelo y se apila la colina modelo. Para simular mejor las condiciones de congelación del túnel, el caudal de agua y la distribución del campo de temperatura alrededor de la estructura de drenaje, se instalaron cuatro tuberías de congelación a ambos lados del túnel que rodea la colina rocosa para simular el efecto de congelación del aire frío del exterior. el túnel sobre el túnel. En la Fig. 4 se ilustra un esquema del sensor de temperatura que indica el despliegue en las secciones transversal y longitudinal del túnel.

Diagrama de diseño del sensor de temperatura. (a) Sección transversal; (b) sección longitudinal.

En la sección transversal, suponiendo que la distancia desde la zanja de drenaje central hasta el arco invertido es la unidad 1, las profundidades de entierro de los puntos de medición en diferentes profundidades son 5/13 x, 10/13 x, 16/13 x, 21/13 x, 28/13 x, 33/13 x y 38/13 x, respectivamente.

La sección longitudinal supone que la profundidad total del túnel modelo se define como 1. Tomando como ejemplo los 5 cm de profundidad del túnel, se representa como 1/60 de la profundidad total del túnel. Las otras posiciones de las secciones son consistentes con este método de representación.

Todos los sujetos y sus tutores legales conocen y aceptan utilizarlo para publicar información de identificación e imágenes en publicaciones en línea de acceso abierto.

Para evaluar la eficacia de la estructura de drenaje del túnel, se estudiaron varios factores. Esto incluye si la tubería de drenaje se congela en condiciones de baja temperatura y si dicha congelación afecta negativamente el uso normal del sistema de drenaje. Además, también se estudió si las medidas de aislamiento instaladas en la estructura de drenaje ofrecen efectos de aislamiento significativos. Para ello, se colocaron paneles aislantes para aislar tanto el arco invertido como el foso de drenaje central, y posteriormente se realizaron pruebas de congelación. De esta manera, se recopilaron datos de temperatura en cada punto de medición, lo que permitió determinar las características de distribución de temperatura de la estructura de drenaje del túnel en varias posiciones de la sección transversal y longitudinal.

La Figura 5 muestra la curva de variación de la temperatura de la roca circundante con el tiempo de congelación en diferentes posiciones de la sección transversal a una distancia de 1/60 de la abertura del túnel fuera del túnel.

Relación entre la temperatura de la sección transversal y el tiempo de congelación en la ubicación del portal del túnel. (a) 5/13x; (b) 10/13x; (c) 16/13x; (d) 21/13x; (e) 28/13x; (f) 33/13x; (g) 38/13x.

Con base en la información presentada en la Fig. 5, se puede observar que a profundidades de entierro menos profundas, a medida que comienza la prueba de congelación, la temperatura disminuye gradualmente a una velocidad de aproximadamente 0,25 a 0,35 °C/h. Sin embargo, a medida que aumenta la profundidad de enterramiento de la roca circundante inferior, se observa un fenómeno de histéresis en el cambio de temperatura. Al inicio de la congelación, la tasa de caída de temperatura se reduce a aproximadamente 0,1 °C/h y la curva de cambio de temperatura se vuelve relativamente plana. El tiempo de retraso del cambio de temperatura varía con las diferentes profundidades de entierro, observándose un tiempo de retraso más largo a profundidades de entierro más profundas. Cuanto más lejos del fondo del túnel, es menos probable que el aire frío dentro del túnel afecte los cambios de temperatura del roca circundante. Por lo tanto, hay un período de histéresis significativo en la temperatura debajo de la roca circundante profunda. Por ejemplo, a 10/13 veces la profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central, el tiempo de retraso del cambio de temperatura es de 10 h. En contraste, a 38/13 veces la profundidad de enterramiento de la misma zanja de drenaje, el tiempo de demora aumenta a 22 h. Durante el período de retraso, la temperatura en cada punto de medición disminuye gradualmente con una tasa de disminución promedio de alrededor de 0,1 °C/h. Cuando el tiempo de congelación supera el tiempo de retraso, la tasa de cambio de temperatura aumenta rápidamente, lo que resulta en una fuerte caída de temperatura a una tasa de aproximadamente 0,3 °C/h, que es aproximadamente 2 a 3 veces la tasa de caída de temperatura durante el período de retraso. . Una vez que la temperatura ha bajado hasta cierto punto, el intercambio de aire frío y caliente se acerca al equilibrio, lo que lleva a una reducción significativa en la tasa de caída de temperatura y, en última instancia, estabiliza la temperatura.

El tiempo de retraso de los cambios de temperatura a diferentes profundidades de enterramiento en la sección transversal de 1/60 de profundidad del túnel y 1/60 de profundidad del túnel fuera del túnel se muestran en la Tabla 2 y la Fig. 5.

La Figura 6 muestra la variación de la temperatura de la roca circundante en diferentes posiciones en la sección transversal a una distancia de 1/60 de la abertura del túnel fuera del túnel.

Cambios de temperatura en diferentes puntos de la sección transversal del túnel. (a) Mapa de contorno de temperatura de la transversal del túnel; (b) mapa vectorial de temperatura de la transversal del túnel.

En la Fig. 6 se puede ver que a la misma profundidad de enterramiento, el valor de temperatura en la línea central del túnel es el más bajo. A medida que avanzamos hacia los lados izquierdo y derecho, el valor de la temperatura aumenta gradualmente, alcanzando su punto máximo a una distancia de 15 cm de la línea central. La diferencia máxima de temperatura entre la línea central del túnel y cada posición en los lados izquierdo y derecho es de aproximadamente 1,7 °C. Esta diferencia de temperatura corresponde a profundidades de enterramiento de 5/13, 10/13 veces la profundidad de enterramiento de la misma zanja de drenaje central y 16/13 veces la profundidad de enterramiento de la misma zanja de drenaje. Además, a medida que aumenta la profundidad de enterramiento de la roca circundante, los valores de temperatura de cada punto de medición se debilitan debido a los cambios de temperatura atmosférica y la influencia de la temperatura ambiente helada. La roca circundante enterrada a poca profundidad se ve muy afectada por el intercambio de aire frío y caliente y experimenta una reducción significativa de la temperatura, mientras que la roca circundante enterrada a mayor profundidad tiende hacia una temperatura positiva y la temperatura interna mínima aumenta gradualmente. Se observa un área de distribución de temperatura negativa dentro del rango de 16/13 veces la profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central hasta la profundidad de la parte interior del túnel, con temperaturas que oscilan aproximadamente entre − 0,1 y − 0,5 °C y una temperatura mínima de − 0,5 °C. Mientras tanto, se detecta un área de distribución de temperatura positiva alrededor del túnel de drenaje anti-frío, con un rango de temperatura de 1,1 a 2,5 °C, una temperatura mínima de 1,1 °C y una diferencia de temperatura máxima de aproximadamente 1,4 °C. La curva de variación de temperatura en la Fig. 6 se ajusta utilizando técnicas de ajuste de datos y se representa mediante una ecuación polinómica cúbica. Los parámetros de la ecuación de ajuste se pueden encontrar en la Tabla 3.

En la Tabla 3 se puede ver que la varianza de la ecuación de ajuste es básicamente superior a 0,99, lo que indica un alto grado de ajuste de los datos. La variación de la temperatura con el tiempo de congelación se puede representar mediante un polinomio cúbico.

En resumen, cuando el arco invertido y la acequia central están aislados, la temperatura de varios tramos del túnel sufre cambios a medida que avanza el tiempo de congelación. La roca circundante enterrada a poca profundidad experimenta una rápida disminución de la temperatura, que disminuye aún más con un aumento en el tiempo de congelación durante las primeras etapas de la congelación. A medida que aumenta la profundidad del entierro, el cambio de temperatura en cada punto de medición exhibe un fenómeno de retraso significativo, y este tiempo de retraso tiende a aumentar gradualmente con la profundidad del entierro de la roca circundante23. La curva de variación de temperatura con el tiempo de congelación en cada posición del punto de medición sigue una forma polinómica aproximadamente cúbica, representada por:

Aquí, T representa la temperatura; C, B representan constante; t representa el tiempo.

A la misma profundidad de entierro, la temperatura cerca de la línea central del túnel es relativamente baja, con un valor de temperatura creciente a medida que nos alejamos de la línea central hacia los lados izquierdo y derecho. Cabe señalar que el patrón de variación de temperatura en la profundidad del túnel difiere del observado en el tramo exterior. Específicamente, mientras que la temperatura en la línea central del túnel es inferior a la que está dentro del rango de 10 cm en ambos lados, la temperatura es más baja en la posición de 15 cm en ambos lados de la línea central. Además, la temperatura de la roca circundante aumenta gradualmente en el mismo lugar con un aumento en la profundidad del entierro, mientras que la amplitud del cambio de temperatura tiende a disminuir gradualmente con el aumento en la profundidad del entierro.

Las Figuras 7a-g muestran las curvas de variación de temperatura longitudinal a diferentes profundidades de entierro en el túnel, las Figuras 8a-e muestran los mapas de contorno y vectores de la variación de temperatura longitudinal en diferentes posiciones en el túnel.

Curva de variación de temperatura longitudinal en diferentes posiciones del túnel. (a) 5/13x; (b) 10/13x; (c) 16/13x; (d) 21/13x; (e) 28/13x; (f) 33/13x; (g) 38/13x.

Diagrama vectorial de cambios de temperatura longitudinales en diferentes ubicaciones del túnel. (a) Mapa vectorial de variación de temperatura a 10 cm en el lado izquierdo de la línea central del túnel; (b) mapa vectorial de variación de temperatura a 5 cm en el lado izquierdo de la línea central del túnel; (c) mapa vectorial de cambios de temperatura en la línea central del túnel; (d) mapa vectorial de variación de temperatura a 5 cm en el lado derecho de la línea central del túnel; (e) mapa vectorial de variación de temperatura a 10 cm en el lado derecho de la línea central del túnel.

En las figuras 8a y e, se observa que los cambios de temperatura a lo largo de la dirección axial en posiciones de 10 cm a ambos lados de la línea central del túnel son casi idénticos. Desde una profundidad de 7/30 del túnel hasta la posición cerca de la entrada del túnel, los valores de temperatura a diferentes profundidades de enterramiento debajo del arco del túnel disminuyen a medida que disminuye la profundidad del túnel. El valor de temperatura más bajo se encuentra a 1/12 de la profundidad del túnel fuera de la entrada del túnel. Las temperaturas negativas comienzan a aparecer alrededor de la zanja de drenaje central fuera del túnel, mientras que las temperaturas positivas ocurren dentro del rango de profundidad del túnel.

En las figuras 8b-d, la variación de temperatura a lo largo de la dirección axial en la línea central del túnel y sus posiciones de 5 cm en ambos lados se muestra aproximadamente de la siguiente manera: desde una profundidad de 7/30 del túnel hasta 1/12 de profundidad del túnel. Fuera del túnel, la temperatura disminuye a medida que disminuye la profundidad del túnel. La temperatura más alta a la misma profundidad de entierro ocurre a 7/30 de la profundidad del túnel, y la temperatura más baja ocurre a 1/12 de la profundidad del túnel fuera del túnel. Hay una distribución de temperatura negativa alrededor de la zanja de drenaje central a 5 cm a ambos lados de la línea central del túnel, pero hay ligeras variaciones en las áreas de distribución de temperatura negativa. No hay temperatura negativa alrededor del túnel de drenaje anti-frío y todos los puntos de medición son positivos. El patrón de cambio de temperatura indica que a medida que disminuye la profundidad, la temperatura disminuye gradualmente.

En resumen, bajo las condiciones de aislamiento del arco del túnel y la zanja de drenaje central, todavía existe una temperatura negativa dentro de un rango específico alrededor de la zanja de drenaje central. El valor de la temperatura aumenta gradualmente al aumentar la profundidad del túnel y la amplitud del aumento de temperatura disminuye gradualmente. Debido al número limitado de tuberías de congelación dispuestas fuera del túnel, los valores de temperatura en los lados izquierdo y derecho de la línea central del túnel son relativamente bajos (Li et al.12).

La Figura 9 ilustra la curva de variación de la temperatura de la roca circundante con el tiempo de congelación en diferentes posiciones en la sección transversal a una distancia de 1/60 de la abertura del túnel fuera del túnel.

Relación entre la temperatura de la sección transversal y el tiempo de congelación en la ubicación del portal del túnel. (a) 5/13x; (b) 10/13x; (c) 16/13x; (d) 21/13x; (e) 28/13x; (f) 33/13x; (g) 38/13x.

Como se muestra en la Fig. 9, a una profundidad de 5/13 veces la profundidad de la zanja de drenaje central, la temperatura disminuye rápidamente con el aumento del tiempo de congelación a un ritmo de aproximadamente 0,2 a 0,3 °C/h después del inicio de la proceso de congelación. Cuando el tiempo de congelación alcanza las 25 h, la curva de cambio de temperatura se aplana ligeramente y la tasa de cambio de temperatura disminuye a 0,15 °C/h. Sin embargo, a medida que el tiempo de congelación continúa aumentando, la temperatura aún disminuye, aunque la amplitud de la caída de temperatura disminuye. Cuando el tiempo de congelación oscila entre 40 y 52 h, la amplitud del cambio de temperatura disminuye aún más con el aumento del tiempo de congelación, y la tasa de cambio de temperatura se mantiene entre 0,05 y 0,1 °C/h. Cuando el tipo de intercambio de aire frío y caliente alcanza un estado de equilibrio, la temperatura ya no cambia con el aumento continuo del tiempo de congelación y finalmente se estabiliza. A profundidades de 10/13 a 38/13 veces la profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central, se produce un fenómeno de histéresis en el cambio de temperatura con el tiempo de congelación. Al comienzo de la congelación, el cambio de temperatura es relativamente pequeño y la curva de cambio de temperatura con el tiempo de congelación es relativamente plana, con una pequeña tasa de caída de temperatura de aproximadamente 0,05 a 0,1 °C/h. La curva de tiempo de congelación de la temperatura sufre cambios significativos en el punto de retraso, y la magnitud y la tasa de disminución de la temperatura aumentan rápidamente. La curva de cambio del tiempo de congelación de la temperatura se puede ajustar con un polinomio cúbico mediante el ajuste de datos, y la varianza del ajuste es superior a 0,99, lo que indica un alto grado de ajuste. El tiempo de histéresis de temperatura en cada posición se muestra en la Tabla 4.

En la Tabla 4, se puede ver que el tiempo de histéresis general del cambio de temperatura en diferentes profundidades de enterramiento del túnel es el siguiente: a medida que aumenta la profundidad de enterramiento de la roca circundante, el tiempo de histéresis del cambio de temperatura aumenta gradualmente y el fenómeno de histéresis se vuelve más evidente. El tiempo de histéresis es directamente proporcional a la profundidad de enterramiento de la roca circundante22.

La Figura 10 muestra la variación de la temperatura de la roca circundante en diferentes posiciones en la sección transversal a una distancia de 1/60 de la abertura del túnel fuera del túnel.

Cambios de temperatura en diferentes puntos de la sección transversal del túnel. (a) Mapa de contorno de temperatura de la transversal del túnel; (b) mapa vectorial de temperatura de la transversal del túnel.

De la Fig. 10, es evidente que a la misma profundidad de entierro, la temperatura en la línea central del túnel se presenta como la más baja dentro de un rango de 15 cm desde el lado izquierdo al derecho de la línea central. A medida que aumenta la distancia desde la línea central, la temperatura aumenta gradualmente y la diferencia máxima de temperatura entre la línea central del túnel y las posiciones en los lados izquierdo y derecho es de 2,0 °C. Desde debajo del arco invertido del túnel, a medida que aumenta la profundidad de enterramiento del sensor de temperatura, el valor de la temperatura aumenta gradualmente. La influencia de los cambios de temperatura atmosférica sobre el sensor de temperatura disminuye, y el impacto sobre el campo de temperatura de la roca circundante en la parte inferior del túnel también disminuye gradualmente. Los sensores de temperatura enterrados a poca profundidad son más sensibles a los cambios atmosféricos externos y se ven muy afectados por las temperaturas externas.

Se observa una distribución de temperatura negativa dentro del rango de 16/13 veces la profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central hasta el arco invertido, mientras que se observa un área de distribución de temperatura negativa alrededor de la zanja de drenaje central con un rango de temperatura de aproximadamente -0,3 a - 0,8 °C y una temperatura mínima de −0,8 °C. La distribución de temperatura alrededor del túnel de drenaje antifrío muestra una distribución positiva, con un rango de variación de temperatura de 1,9 a 3,5 °C, una temperatura mínima de 1,9 °C y una diferencia de temperatura máxima de aproximadamente 1,4 °C. El valor de temperatura mínima a una profundidad de 5/13 veces la zanja de drenaje central es - 1,8 °C, la temperatura mínima a una profundidad de 10/13 veces la zanja de drenaje central es - 1,2 °C y la temperatura mínima a una profundidad de 38/13 veces la zanja de drenaje central es de 5,7 °C. A medida que aumenta la profundidad del enterramiento, el valor mínimo de temperatura en la roca circundante debajo del túnel aumenta gradualmente y la temperatura se vuelve progresivamente positiva. Cuanto mayor es la profundidad del enterramiento, más se acerca la temperatura a un valor positivo.

Para expresar mejor la relación entre la temperatura y el tiempo de congelación, se utilizó una función cúbica para ajustar la curva y los resultados del ajuste se muestran en la Tabla 5.

De acuerdo con los parámetros de la ecuación de ajuste en la Tabla 5, la varianza de la ecuación de ajuste de la curva a diferentes profundidades de enterramiento es mayor que 0,99, lo que indica que ajustar la curva de cambio de tiempo de congelación de la temperatura con una función cúbica es razonable.

En resumen, bajo las condiciones de aislamiento del arco invertido, la zanja de drenaje central y el túnel de drenaje anti-frío, existe un fenómeno de histéresis en la curva de cambio de temperatura con el tiempo de congelación, que se manifiesta a medida que el tiempo de histéresis de temperatura aumenta gradualmente con el aumento. de profundidad de entierro, y el fenómeno de histéresis de temperatura se vuelve más obvio. Los resultados experimentales muestran que sólo a 5/13 veces la profundidad de entierro de la zanja de drenaje central, el tiempo de histéresis de temperatura es 0. Después de que comienza la congelación, la temperatura disminuye rápidamente con el aumento del tiempo de congelación. La ley del cambio se puede representar mediante un polinomio cúbico. En la sección exterior del túnel, la temperatura en ambos lados de la línea central del túnel aumenta con el aumento de la distancia desde la línea central, y la temperatura muestra una forma de "v".

Las Figuras 11a a g muestran respectivamente las curvas de variación de temperatura de diferentes profundidades de enterramiento en el túnel a medida que aumenta la profundidad.

Relación entre la temperatura de la sección transversal y el tiempo de congelación en la ubicación del portal del túnel. (a) 5/13x; (b) 10/13x; (c) 16/13x; (d) 21/13x; (e) 28/13x; (f) 33/13x; (g) 38/13x.

En la Fig. 11, se puede ver que la temperatura es más baja en la posición 1/60 de la profundidad del túnel. A medida que disminuye la profundidad del túnel, los valores de temperatura en cada posición disminuyen gradualmente y el cambio general de temperatura muestra que el valor de temperatura aumenta gradualmente a medida que aumenta la profundidad del túnel. La influencia del aire frío en varios sensores a una profundidad de 1/60 de la entrada del túnel es relativamente grande, y el intercambio de aire frío y caliente también es relativamente grande. Por tanto, la temperatura a la entrada del túnel es relativamente baja. La temperatura de la roca circundante en la parte inferior del túnel aumenta gradualmente con el aumento de la profundidad del túnel. La temperatura cambia significativamente con la profundidad del túnel de 1/60 a 2/15 de la profundidad del túnel. A medida que aumenta la profundidad del túnel, la amplitud del aumento de temperatura disminuye gradualmente. Cuando la profundidad del túnel está dentro del rango de 2/15 a 7/30 de la profundidad del túnel, la amplitud del aumento de temperatura disminuye significativamente y el cambio general es relativamente suave. La diferencia de temperatura máxima entre los puntos de medición en la misma posición horizontal que la profundidad del túnel de 1/60 y la profundidad del túnel de 7/30 está dentro del rango de 1,4 a 1,9 °C.

De las figuras 12a y e, es evidente que los cambios de temperatura a lo largo de la dirección axial en posiciones de 10 cm a ambos lados de la línea central del túnel son aproximadamente los mismos. Desde 7/30 de profundidad del túnel hasta la posición cerca de la entrada del túnel, los valores de temperatura en diferentes profundidades de enterramiento debajo del arco invertido disminuyen al disminuir la profundidad del túnel, y el valor de temperatura es el más bajo a 1/12 de profundidad del túnel fuera de la entrada del túnel. Las temperaturas negativas comienzan a aparecer alrededor de la zanja de drenaje central fuera del túnel, mientras que las temperaturas positivas ocurren dentro del rango de profundidad del túnel. En las figuras 12b-d, la variación de temperatura a lo largo de la dirección axial en la línea central del túnel y sus posiciones de 5 cm en ambos lados es aproximadamente la siguiente: desde 7/30 de profundidad del túnel hasta 1/12 de profundidad del túnel fuera del túnel, la temperatura disminuye al disminuir la profundidad del túnel. La temperatura más alta a la misma profundidad de entierro ocurre a 7/30 de la profundidad del túnel, y la temperatura más baja ocurre a 1/12 de la profundidad del túnel fuera del túnel. Hay una distribución de temperatura negativa alrededor de la zanja de drenaje central a 5 cm a ambos lados de la línea central del túnel, pero se producen ligeras diferencias en las áreas de distribución de temperatura negativa. Alrededor del túnel de drenaje anti-frío no hay temperaturas negativas y todos los puntos de medición muestran temperaturas positivas. El patrón de variación de temperatura muestra que a medida que la profundidad disminuye desde el interior del túnel hacia el exterior, la temperatura disminuye gradualmente.

Diagrama vectorial de cambios de temperatura longitudinales en diferentes ubicaciones del túnel. (a) Mapa vectorial de variación de temperatura a 10 cm en el lado izquierdo de la línea central del túnel; (b) mapa vectorial de variación de temperatura a 5 cm en el lado izquierdo de la línea central del túnel; (c) mapa vectorial de cambios de temperatura en la línea central del túnel; (d) mapa vectorial de variación de temperatura a 5 cm en el lado derecho de la línea central del túnel; (e) mapa vectorial de variación de temperatura a 10 cm en el lado derecho de la línea central del túnel.

En resumen, después del aislamiento del arco invertido, la zanja de drenaje central y el túnel de drenaje anti-frío, el patrón general de variación axial de la temperatura en diferentes profundidades de entierro es el siguiente: a medida que aumenta la profundidad del túnel, la temperatura de la roca circundante en la parte inferior parte del túnel aumenta gradualmente y la amplitud del cambio de temperatura disminuye gradualmente a medida que aumenta la profundidad. Después de instalar el aislamiento, la zanja de drenaje central solo experimenta temperaturas inferiores a 0 °C dentro de un cierto rango fuera del túnel, mientras que la temperatura alrededor del túnel de drenaje anti-frío permanece por encima de 0 °C en toda la sección experimental, y no hay Fenómeno de congelación.

El artículo analiza las características de distribución del campo de temperatura de la roca que rodea el túnel bajo diferentes métodos de disposición de la capa de aislamiento para la capa de aislamiento de la estructura de drenaje del túnel, y las conclusiones son las siguientes:

En la etapa inicial de congelación, la temperatura de la roca circundante poco profunda disminuye rápidamente con el aumento del tiempo de congelación. A medida que aumenta la profundidad del entierro, hay un fenómeno de retraso significativo en el cambio de temperatura en cada punto de medición. El tiempo de retraso del cambio de temperatura aumenta gradualmente. Alrededor del canal de drenaje central todavía se registran temperaturas negativas dentro de un cierto rango. Polinomio cúbico de la curva de variación de temperatura con el tiempo de congelación. En la sección longitudinal, a medida que aumenta la profundidad del túnel, la temperatura de la roca circundante en la parte inferior del túnel aumenta gradualmente y la amplitud del cambio de temperatura disminuye gradualmente con el aumento de la profundidad.

A la misma profundidad de enterramiento, la temperatura cerca de la línea central es relativamente baja. A medida que aumenta la distancia desde la línea central, el valor de la temperatura aumenta gradualmente; El patrón de variación de temperatura en el interior del túnel es diferente al de la sección exterior. La temperatura en la línea central del túnel es menor que dentro de un rango de 10 cm en ambos lados, pero la temperatura es la más baja a 15 cm en ambos lados de la línea central.

Cuando tanto el túnel de drenaje anti-frío como la zanja de drenaje central están equipados con capas aislantes, la temperatura negativa sólo aparece dentro de un cierto rango fuera del túnel en la zanja de drenaje central. Sin embargo, cuando la capa aislante sólo se instala en la zanja de drenaje central, aparece una temperatura negativa significativa alrededor de la zanja de drenaje central. Debido a la distancia entre el túnel de drenaje de agua fría y la roca circundante, los dos métodos de diseño tienen menos efecto en el túnel de drenaje de agua fría. En la ingeniería práctica, se debe dar plena consideración a la profundidad de enterramiento de la zanja de drenaje central y del túnel de drenaje anti-frío, y se debe aplicar un tratamiento de capa aislante a ambos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Lulú Liu

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JZ, LL y XZ escribieron el texto principal del manuscrito y LT preparó las figuras. LL dado análisis lógico. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Lulu Liu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Zhu, J., Zhang, X., Liu, L. et al. Cambio del campo de temperatura alrededor de diferentes estructuras de drenaje en un túnel de región fría basado en pruebas de modelos. Informe científico 13, 13967 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41175-5

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Recibido: 18 de mayo de 2023

Aceptado: 23 de agosto de 2023

Publicado: 26 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41175-5

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