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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5354 (2023) Citar este artículo
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Con un aumento en la construcción y retención de túneles, los sistemas tradicionales de impermeabilización y drenaje no han podido satisfacer las necesidades de los túneles en áreas de fuertes lluvias, y con frecuencia ocurren desastres como grietas en el revestimiento del túnel, fugas e incluso colapsos. Con el fin de garantizar la operación y el mantenimiento seguros de los túneles, este artículo analiza las características del sistema tradicional de impermeabilización y drenaje y propone una nueva estructura de drenaje mediante simulación numérica y pruebas en interiores. Esta estructura elimina el tubo ciego de drenaje circular y agrega una placa de drenaje de capa convexa entre el tablero impermeable y el revestimiento secundario. La investigación muestra que el nuevo sistema de drenaje reduce en gran medida la presión del agua en el área fácilmente bloqueada de la estructura de drenaje. Con el modelo especial de descarga superficial, la presión del agua externa del revestimiento lejos del área bloqueada puede volver rápidamente al nivel normal. Además, la capacidad de drenaje de diferentes paneles impermeables y de drenaje es diferente. Con un aumento en la presión de soporte, la capacidad de drenaje disminuye; el geotextil es el que más disminuye, seguido del tablero de drenaje capilar y luego el tablero de drenaje de capa convexa. Al mismo tiempo, después de la prueba de drenaje de agua fangosa de los tres materiales, se encontró que la placa de drenaje tipo concha convexa tiene el mejor rendimiento anti-lodos. La investigación en este documento proporciona un intento beneficioso para el diseño de la estructura de drenaje e impermeabilización de un túnel kárstico rico en agua, y proporciona una garantía para la operación y el mantenimiento seguros del túnel.
Con la construcción de más y más túneles kársticos, el problema de las fugas en los túneles se ha convertido en un gran problema para innumerables constructores de túneles. La fuga de agua del túnel causará corrosión del revestimiento, corrosión de las vías y las piezas, ebullición del lodo del lecho del túnel y otros fenómenos; estos empeoran el entorno operativo del túnel y ponen en peligro la durabilidad de la estructura del túnel. Ejemplos de esto son el Túnel Gaotian del Ferrocarril Guiyang-Guangzhou, el Túnel Hongqiao del Ferrocarril Wuhan-Guangzhou y el pequeño túnel de montaña del Ferrocarril Shanghai-Kunming. Se han producido deformaciones de arco invertido y daños causados por la alta presión del agua en el ferrocarril Kunming-Nanjiang y en otros lugares, lo que ha provocado graves pérdidas económicas. Ya sea considerando el proceso de construcción o de operación, el tratamiento del agua subterránea del túnel es uno de los temas más importantes para la seguridad estructural en áreas kársticas. Un gran número de académicos han realizado investigaciones relevantes sobre este tema.
En términos de cálculos teóricos, obtuvo la distribución del campo de fugas en un túnel de cabeza alta profundamente enterrado utilizando el método analítico1. Basándose en la solución clásica de Harr de un túnel sin revestimiento, combinada con el entorno hidrológico real (tomando la roca circundante, el anillo de lechada y el revestimiento como un sistema completo), se derivó la ecuación de presión de agua del campo de infiltración2. Comparó varias soluciones analíticas y numéricas y probó la confiabilidad de la solución analítica3. Propuso un método de análisis semiteórico para el cálculo de filtraciones4. A través de análisis teóricos, pruebas en interiores y mediciones de campo, se propusieron la forma estructural y el esquema de drenaje controlable adecuados para un túnel de alto nivel de agua5. Se estableció un modelo a escala y los resultados mostraron que el método PWW puede reducir la presión del agua y la tensión del revestimiento en condiciones de drenaje mientras que, en condiciones de drenaje libre, la tensión del revestimiento con el método PWW se puede reducir en aproximadamente un 30 %6. 7. Se estableció un modelo numérico tridimensional y se encontró que la presión del agua en la bóveda del túnel era baja y la presión del agua en el arco invertido era alta. Para túneles kársticos ricos en agua, el centro del arco invertido era fácil de romper cuando se usaba el modo semi-envolvente y semi-drenante7. Estudió la ley de evolución de la presión del agua del revestimiento bajo la acción de la presión del agua dinámica, propuso un esquema de drenaje optimizado para reducir la presión del agua del arco invertido y analizó el efecto de la prevención y el drenaje del agua8. Tomando el túnel de Gongbei como ejemplo, se propuso una solución analítica para calcular la tensión efectiva causada por la filtración alrededor de un túnel de aguas poco profundas en un semiplano elástico. La alta presión del agua acumulada detrás del revestimiento es la causa principal de los desastres causados por la presión del agua. Para determinar la distribución de la presión del agua detrás del revestimiento9, se dedujo la fórmula analítica de la presión del agua del revestimiento de lechada de roca circundante y la relación entre la presión del agua del revestimiento y el coeficiente de permeabilidad utilizando el método de análisis axisimétrico10,11. Basado en el método de transformación conforme, derivó la fórmula de cálculo de la presión del agua en el revestimiento de un túnel circular bajo un estado de filtración constante12,13,14. Estableció la solución analítica de entrada de agua para la filtración estable de un túnel circular bajo un coeficiente de permeabilidad isotrópica. En términos de materiales15, estudió el rendimiento impermeable de las juntas de goma desde cuatro aspectos16. Afirmó que Suiza, Austria y otros países utilizan polietileno y cloruro de polivinilo como materiales impermeables y son ampliamente utilizados17. Se desarrollaron materiales compuestos de impermeabilización y drenaje18,19. Introdujo un nuevo tipo de material impermeabilizante líquido (un tipo cristalino permeable a base de agua) y analizó las diferencias entre la combinación de este material y el hormigón proyectado y el hormigón de encofrado, desde una perspectiva microscópica. Los tableros de impermeabilización y drenaje de capa capilar y convexa son materiales de drenaje relativamente nuevos20. Estudió la influencia del tablero de drenaje capilar en la capacidad de drenaje del suelo arenoso mediante la realización de pruebas de drenaje en interiores y el establecimiento de un ángulo para estudiar su rendimiento anti-sedimentación. Los resultados muestran que se recomienda que el rango de valores del ángulo del cinturón de drenaje capilar que se encuentra en la subrasante, pendiente y otras estructuras sea de 10° a 15°21. Realizó pruebas de durabilidad y resistencia a la presión del agua en cinco topes de agua diferentes y los aplicó en el sistema impermeable del túnel Gongbei. En términos de optimización estructural22, propuso un concepto de diseño de drenaje e impermeabilización adecuado para el Túnel Tianshan Este: la tecnología de construcción de "un bloque, dos drenajes y tres prevención"23. Propuso un sistema compuesto de impermeabilización y drenaje (CWDS). Los resultados de la investigación mostraron que, en el caso de bloqueo de tubería ciega, la presión del agua del sistema de drenaje tradicional en un túnel aumenta rápidamente, mientras que el túnel CWDS puede drenar y reducir la presión de manera efectiva24. Las medidas de optimización triple propuestas de la estructura y los resultados de la investigación jugarán un importante papel de guía en el diseño, construcción y mantenimiento de los sistemas de drenaje de los túneles de las carreteras en China25. Desarrolló un modelo de filtración de drenaje que comprende tuberías de drenaje, membranas impermeables y geotextiles. Este estudio es útil para el diseño óptimo de sistemas de drenaje e impermeabilización de túneles, como la estimación de la permeabilidad y el espesor del revestimiento inicial, la distancia entre tuberías circulares de drenaje y la conductividad hidráulica de los geotextiles26. A través de simulación numérica y pruebas de modelos, se estudiaron tres esquemas optimizados de impermeabilización y drenaje, los resultados mostraron que, cuando se adoptan esquemas convencionales de impermeabilización y drenaje para túneles kársticos ricos en agua, el sistema de drenaje no puede reducir efectivamente la presión del agua en el arco invertido de el tunel. Cuando se añadió un tubo de drenaje ciego longitudinal en la parte inferior del arco invertido, la tasa de reducción alcanzó el 84% y cuando se colocó la zanja de drenaje central en la parte inferior del arco invertido, aumentó al 96%27. Propuso un nuevo concepto para un sistema de drenaje y reducción de presión en el fondo de un túnel ferroviario, que puede descargar de manera eficiente el agua acumulada en el fondo del túnel y lograr el objetivo de reducir la presión del agua28. Estudió la distribución de la presión del agua detrás del revestimiento bajo diferentes formas de impermeabilización y drenaje, y presentó el plan de diseño óptimo del tablero impermeable29. Propuso un nuevo concepto para controlar activamente el diseño de impermeabilización y drenaje ajustando la resistencia y la permeabilidad de la roca circundante, el anillo de refuerzo y la estructura de soporte inicial. Para reducir activa y razonablemente la presión del agua del túnel30, propuso un sistema de drenaje especialmente diseñado con antibloqueo y liberación automática de la presión del agua31.
La investigación anterior mostró que el esquema de drenaje convencional no puede resolver el problema de fugas de agua en un túnel kárstico rico en agua. En la actualidad, la investigación en el campo de la filtración de túneles se centra principalmente en el cálculo de la presión del agua externa del revestimiento del túnel, la predicción de la entrada de agua y la investigación sobre las medidas de optimización del sistema de impermeabilización y drenaje del túnel, incluidas nuevas tecnologías y nuevos materiales. . La investigación sobre las causas y efectos del taponamiento no se ha detenido. Sin embargo, existen pocos informes sobre la distribución de la presión del agua entre tuberías ciegas circulares, el efecto de drenaje de la tubería ciega no circular + impermeabilización de cubierta convexa y tableros de drenaje, o el efecto de bloqueos locales en la presión de agua externa de los revestimientos de túneles. Por lo tanto, este artículo propone un sistema de impermeabilización y drenaje con un panel de impermeabilización de capa convexa en lugar de un tubo ciego circular, y estudia el efecto de drenaje de la nueva estructura de impermeabilización y drenaje a través de pruebas en interiores y simulación numérica.
En la construcción de túneles, para evitar que el agua subterránea invada la estructura del túnel, el sistema antidrenaje tradicional se compone principalmente de tuberías de drenaje circulares ciegas, tuberías de drenaje longitudinales ciegas, placas impermeables, tiras de sellado, zanjas de drenaje centrales y zanjas de drenaje de paredes laterales. , etc. Al final de la excavación del túnel, se aplica el soporte inicial y juega un papel impermeabilizante, en cierta medida. Las filtraciones de agua de la superficie del soporte inicial son recogidas por el tubo ciego y descargadas por el desagüe central. La placa impermeable y la tira de sellado evitan que el agua subterránea erosione el revestimiento.
El sistema anti-drenaje tradicional se muestra en la Fig. 1. El soporte inicial actúa como la primera capa de impermeabilización contra las aguas subterráneas. Cuando el agua rezuma por la superficie del soporte inicial, la tubería ciega de desagüe recogerá y transportará el agua filtrada al desagüe central para su vertido. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 1b, c, durante la operación del túnel, las partículas de suelo y los cristales químicos provocarán el bloqueo de la tubería de drenaje ciego. La presión del agua en el área bloqueada aumentará considerablemente, lo que puede provocar el agrietamiento del revestimiento debido al aumento de la presión del agua; el sistema de drenaje del túnel se paralizará y la operación del túnel se verá afectada. Como se puede ver en la Fig. 1b, la tubería ciega de drenaje es propensa a deformarse bajo la acción de la presión de soporte, lo que conduce a una disminución en la capacidad de drenaje. Cuando comience la temporada de lluvias, la disminución de la capacidad de drenaje dará lugar a un aumento de la presión del agua detrás del revestimiento, lo que también provocará el agrietamiento del revestimiento y, finalmente, la fuga del túnel. Además, también hay requisitos más altos para el personal de construcción; si la construcción es incorrecta, la placa impermeable se romperá fácilmente. En resumen, con la operación a largo plazo del túnel, el sistema de drenaje envejece gradualmente, lo que provoca fugas en el túnel, grietas en el revestimiento y otros problemas.
El diagrama de deterioro del túnel. (a) Flujo de agua en el túnel; (b) Causas potenciales de deterioro; (c) Fuga de la grieta de la sección A.
Se propone un nuevo tipo de sistema de drenaje para resolver problemas tales como obstrucciones simples de la tubería de drenaje circunferencial y distribución desigual de la presión del agua después del revestimiento y agrietamiento de las placas impermeables. La figura 2a es el diagrama estructural tridimensional del sistema antidrenaje optimizado y la figura 2b es el diagrama de drenaje transversal del nuevo sistema de drenaje. El tablero antidrenaje de carcasa convexa tiene la función de drenaje de sección completa. La cubierta convexa se utiliza para formar un canal de drenaje superficial entre el tablero impermeable y el soporte inicial, para lograr el efecto de drenaje superficial anular, evitando la situación actual de drenaje de tubería ciega circular concentrada y distribución desigual de la presión del agua en la parte superior de el túnel, reduciendo la presión máxima del agua que actúa en la parte superior del túnel.
Nuevo sistema de drenaje.
A lo largo de la dirección axial del túnel, la presión del agua detrás del revestimiento es aproximadamente igual y el modelo teórico puede calcular el canal de drenaje. Como se muestra en la Fig. 3, la forma de la sección del tablero antidrenaje de la carcasa muestra el diámetro de tubería equivalente del canal antidrenante de la carcasa por metro cuadrado del túnel longitudinal, que se puede calcular de acuerdo con la Ec. (1):
donde D0 es el diámetro de tubería equivalente por metro lineal del paso de agua de la placa impermeabilizante de capa convexa, m; H es la altura del casco convexo, m; D es el espacio inferior de la capa convexa, m; L1 es el diámetro de la superficie inferior de la cubierta convexa, m; L2 es el diámetro de la superficie superior de la cubierta convexa, m; ε es la tasa de deformación por compresión de la placa impermeable de la cubierta convexa bajo presión.
Diagrama esquemático de la sección de tablero impermeable de cubierta convexa.
Según la mecánica de fluidos, la ecuación para calcular el exceso de agua por metro de placa impermeable es:
donde \({\text{Q}}\) es el flujo de agua por metro de la placa impermeable con forma de concha, m3/d; A es el área de la tubería, m2; R es el radio hidráulico, m; J es la pendiente hidráulica; y C es el coeficiente Xie Cai. De acuerdo con la Ec. (3), se puede obtener que:
En la ecuación. (3), n es la rugosidad, en función del grado de lisura de la pared.
Cuando la altura del casco convexo es de 1 cm, la tasa de deformación por compresión es 0; el espaciamiento del casco convexo es de 0,5 cm, el diámetro inferior del casco convexo es de 1,6 cm, el diámetro superior del casco convexo es de 0,8 cm y, según la ecuación. (1), el diámetro de la tubería equivalente es de 7,389 cm y el área de la tubería es de 42,86 cm2.
Se sabe que el diámetro de la tubería de drenaje circunferencial del Túnel Tiegalishan es de 5 cm, el espacio de la tubería ciega circunferencial es de 5 m, y el área de desarrollo de karst y aguas subterráneas está cifrada en 2 m, asumiendo que la rugosidad del camino del agua es el mismo. Cuando el gradiente hidráulico es el mismo, la relación de flujo se puede calcular mediante las Ecs. (1), (2) y (3), como sigue:
donde α es la relación de caudal entre la tubería de drenaje anular y la tubería de drenaje anular con la placa impermeable de cubierta convexa en el espacio de disposición; d es el espacio de disposición de la tubería de drenaje circunferencial; y Dh es el diámetro de la tubería de drenaje circunferencial, m. Si el diámetro de la tubería equivalente es de 7,389 cm y el diámetro de la tubería de drenaje anular es de 5 cm, la relación entre la relación de flujo y el diseño de espaciamiento de las tuberías de drenaje se muestra en la Fig. 4a. Cuando el espacio circunferencial es de 5 m, la relación entre la relación de flujo y el diámetro circunferencial de la tubería de drenaje es como se muestra en la Fig. 4b.
Relación de descarga.
La Figura 4a muestra que, bajo la misma rugosidad de la trayectoria del flujo y el mismo gradiente hidráulico, la relación de flujo mantiene un aumento lineal con el aumento del diseño del espaciamiento de la tubería de drenaje anular. Se puede ver en la Fig. 4b que, con un aumento del diámetro del tubo de drenaje anular, la relación de flujo sigue disminuyendo, pero la tendencia a la baja sigue disminuyendo. Cuando el diámetro de tubería equivalente por metro de placa de cubierta impermeable es de 7,389 cm, el diámetro de tubería de la tubería de drenaje circunferencial es de 5 cm y la separación de la tubería de drenaje circunferencial es de 2 m; la relación de exceso de agua es 5,66. Cuando el diseño del espaciamiento anular de la tubería de drenaje es de 10 m, la relación de flujo es 28,33. Cuando el diámetro equivalente de la tubería de la placa impermeable de la carcasa por metro es de 7,389 cm, la distribución del espaciado de la tubería de drenaje circunferencial es de 5 m y el diámetro de la tubería de drenaje circunferencial es de 5 cm; la relación de flujo es 14.16. Cuando el diámetro de la tubería de drenaje anular es de 10 cm, la relación de exceso de agua es de 2,23. De acuerdo con los datos anteriores, el rendimiento de drenaje de la placa de drenaje de carcasa convexa es mejor que el de la tubería de drenaje anular.
Con el fin de estudiar la ley de distribución de la presión del agua después de revestir el nuevo sistema de drenaje y el sistema de drenaje de tubería de drenaje circular ciego tradicional, se aplicó la ley cambiante de la presión del agua, después de revestir a diferentes distancias de taponamiento, utilizando el software ABAQUS para simulación numérica en un sistema anti-drenaje tradicional. El tablero impermeable y el geotextil se establecieron como la capa antidrenante, que desempeñó el papel de 'impermeable' y 'drenante' en la simulación numérica. La permeabilidad del revestimiento secundario generalmente se establece como un parámetro extremadamente bajo, para desempeñar el papel de impermeabilización, y el cojín de guía de agua se establece para realizar la función de "drenaje". El cojín de guía de agua es una estructura esencial para el drenaje en áreas sin una configuración de tubo de drenaje ciego y desempeñó el papel de reemplazar la cubierta convexa en esta simulación. El modelo adoptó lechada radial de sección completa para fortalecer el taponamiento de agua y el espesor del anillo de lechada fue de 5 m. La profundidad del túnel era de 45 m, la altura del nivel del agua subterránea se tomó de la superficie, se tomó 5 veces el diámetro del túnel desde la pared lateral de la excavación del túnel hacia ambos lados y aproximadamente 5 veces la altura del túnel hacia abajo. La longitud longitudinal era de 40 m a lo largo del eje del túnel y el tamaño del modelo era de 160 m, 40 m de ancho y 120 m de alto. El modelo de filtración tridimensional del túnel se muestra en la Fig. 5.
Modelo de filtración tridimensional.
Se adoptó la simulación de elementos sólidos para la roca circundante y el anillo de lechada; se adoptó un modelo constitutivo de More-Coulomb para el modelo mecánico; el modelo de filtración isotrópica fue adoptado en el modelo fluido; se utilizó un elemento sólido para simular el revestimiento, la capa de filtro y el orificio de drenaje; en el modelo mecánico se adoptó un modelo constitutivo elástico; se adoptó un modelo de filtración isotrópica en el modelo de fluido; se calcularon índices físicos y mecánicos de la roca circundante según el informe de prospección geológica; y los parámetros de cálculo numérico se muestran en la Tabla 1.
Cuando se excava un túnel, se vuelve a equilibrar el soporte inicial, el revestimiento secundario y la construcción de la tubería de drenaje correspondiente, y la formación de un nuevo campo de filtración estable tendrá un nuevo impacto en la estructura de revestimiento del túnel. La figura 6 muestra el diagrama de la nube de presión de agua externa del revestimiento de los modos de drenaje tradicional y nuevo, después de la excavación y la estabilidad de la filtración.
Estudio de distribución de presión de agua en diferentes sistemas de impermeabilización y drenaje.
Como se ve en la Fig. 6, la presión del agua del sistema de drenaje tradicional está ligeramente cerca de la tubería de drenaje. Por el contrario, la presión del agua en la zona media de los dos desagües es enorme, presentando una distribución de presión de agua 'ondulada'. La razón principal es que la tubería de drenaje circunferencial ciega tiene una gran capacidad de drenaje. En contraste, el área sin tubería ciega de drenaje tiene una débil capacidad de transporte de agua en su geotextil, lo que resulta en una distribución centralizada de la presión del agua. El nuevo modo antidrenaje elimina el tubo de anillo ciego y adopta la placa impermeable de carcasa convexa. La capacidad de drenaje de la parte superior del túnel es igual, la distribución de la presión del agua es uniforme y la presión del agua es mucho menor que la presión máxima del agua del modo de drenaje tradicional, logrando así la transformación de la 'descarga de línea' del sistema de drenaje tradicional a la 'descarga superficial' del nuevo sistema de drenaje. La distribución de la presión del agua a lo largo del arco y la bóveda se muestra en la Fig. 7.
Comparación de la presión del agua en diferentes modos de drenaje.
De la Fig. 7, la presión del agua del arco y la bóveda en el nuevo modo de drenaje se mantiene aproximadamente en aproximadamente 0,202 MPa y 0,214 MPa. La presión del agua es estable y la brecha de presión del agua entre la cintura del arco y la corona del arco es pequeña. En el sistema de drenaje tradicional, la presión de agua máxima de la línea de observación de la cintura del arco y la bóveda es de 1.025 MPa y 1.014 MPa, respectivamente. La presión máxima de agua del nuevo modelo de drenaje se reduce en un 80,29% y un 78,90%, en comparación con el modelo de drenaje tradicional.
Con el fin de explorar el impacto de los bloqueos locales en diferentes sistemas de drenaje en el revestimiento del túnel, se simularon y establecieron cuatro condiciones de trabajo de bloqueo axial de 2 m, 4 m, 6 my 8 m de la pared lateral del túnel. El diagrama de nubes de la distribución de la presión del agua externa del revestimiento del nuevo sistema de impermeabilización y drenaje se muestra en la Fig. 8. Con un aumento en la longitud del bloqueo, la presión del agua en el área del bloqueo aumentó continuamente. Cuando la longitud del bloqueo fue de 2 a 6 m, la presión máxima del agua en el área del bloqueo apareció cerca del punto medio. No hubo un fenómeno de difusión evidente en el rango de influencia de la presión del agua a lo largo de la circunferencia. Cuando la longitud de bloqueo alcanzó los 8 m, la presión máxima del agua se desplazó hacia ambos lados y el rango de influencia de la presión del agua comenzó a extenderse al área desbloqueada en la parte superior del túnel. El diagrama de nubes de la presión del agua externa del revestimiento bajo diferentes longitudes de taponamiento del sistema de drenaje tradicional se muestra en la Fig. 9. Con el aumento de la distancia de taponamiento, la presión del agua en el área de taponamiento siguió aumentando, lo cual es similar a la regla de cambio de la presión del agua en el nuevo sistema de drenaje. Cuando el sistema de drenaje está bloqueado, la tubería de drenaje ciego circunferencial en el área de taponamiento falla.
Gráfico de nubes de la presión de agua externa del revestimiento bajo diferentes longitudes de bloqueo en un lado.
Diagrama de nube de presión de agua externa del revestimiento con diferentes longitudes de taponamiento en el sistema de drenaje tradicional.
La figura 10 muestra que la presión del agua del sistema de drenaje tradicional es significativamente mayor que la del nuevo sistema de drenaje, dentro del alcance del área afectada. En el área de bloqueo, cuando la longitud del bloqueo es de 2 m, 4 m, 6 m y 8 m, respectivamente, la presión máxima del agua del nuevo sistema de drenaje, a lo largo de la dirección circunferencial en el área de bloqueo, es de 0,776 MPa, 0,930 MPa, 0,993 MPa y 1,030 MPa. Esto muestra que, cuanto mayor sea el área bloqueada del sistema de drenaje, mayor será la presión del agua en el área bloqueada, pero la tendencia de crecimiento se ralentiza. La presión del agua fuera del revestimiento lejos del área bloqueada volverá gradualmente a los niveles normales, pero el sistema de drenaje tradicional solo disminuirá lentamente, mientras que el nuevo sistema de drenaje (debido a su modelo especial de descarga superficial) no se basa en el sistema circular ciego. tubería de drenaje, por lo que su presión de agua caerá rápidamente, alrededor del área bloqueada. El rango de influencia del bloqueo local en la presión del agua de revestimiento del sistema de drenaje tradicional también parece ser mayor que el del nuevo sistema de drenaje. La influencia del bloqueo local del nuevo sistema de drenaje y el sistema de drenaje tradicional en el arco invertido del túnel es relativamente limitada, pero la presión del agua del arco invertido del nuevo sistema de drenaje es ligeramente menor que la del sistema de drenaje tradicional.
Comparación de la presión circunferencial del agua a diferentes distancias de taponamiento.
La curva de cambio de presión del agua de los dos sistemas de drenaje, bajo diferentes distancias de taponamiento, se muestra en la Fig. 11. Para el sistema de drenaje tradicional, la presión del agua de la corona en el área de taponamiento aumenta gradualmente con el aumento de la longitud del área de taponamiento. , de 0,46 MPa (cuando la longitud de taponamiento es de 2 m) a 0,54 MPa (cuando la longitud de taponamiento es de 8 m). El ámbito de influencia es principalmente entre los tubos circunferenciales ciegos a ambos lados de la zona de taponamiento mientras que, para el nuevo sistema de drenaje, cuando se produce un atasco en un lado, la presión del agua sobre la corona del arco aumenta ligeramente. Cuando la longitud del bloqueo es de 2 a 6 m, la presión media del agua es de unos 0,243 MPa. Cuando la longitud del bloqueo es de 8 m, la presión media del agua es de 0,248 MPa. La variación de presión de la corona del arco es menor que la del sistema de drenaje tradicional.
Comparación de la presión del agua en la corona del arco bajo diferentes distancias de bloqueo.
La curva de cambio de presión de agua de los dos sistemas de drenaje bajo diferentes distancias de bloqueo se muestra en la Fig. 12. Para el sistema de drenaje tradicional, cuando el bloqueo ocurre en la sección de diseño de la tubería de drenaje ciega, la función de drenaje de la tubería circular ciega en esta zona fallará, y su presión de agua subirá hasta el pico de presión de agua en la zona media de los dos tubos ciegos, en condiciones normales de drenaje. Para el nuevo sistema de drenaje, se puede ver que la presión del agua en el área de bloqueo aumenta significativamente. Cuando la longitud del taponamiento es de 2 a 6 m, muestra un solo pico (0,744 MPa, 0,897 MPa y 0,942 MPa, respectivamente). Cuando la longitud de taponamiento es de 8 m, hay dos picos y la presión en el punto medio del área de taponamiento es menor que la presión máxima. La presión del agua en el área bloqueada es menor que la del sistema de drenaje tradicional. En la dirección del aumento de la longitud del bloqueo, se reduce considerablemente el rango de influencia del área bloqueada, que se limita al área bloqueada. En la periferia del área bloqueada, debido al modo único de 'descarga superficial' del nuevo sistema de drenaje, el flujo de agua se puede recolectar en la tubería de drenaje longitudinal a través del espacio tridimensional entre el tablero impermeable y el soporte inicial. El modo de drenaje de tubería circunferencial ciega tradicional se basa principalmente en la tubería circunferencial ciega a cierta distancia para recolectar agua. Una vez que la tubería de drenaje ciego está bloqueada, significa que la separación de la disposición de tubería ciega en el área bloqueada aumenta exponencialmente.
Comparación de la presión del agua en la cintura bajo diferentes distancias de bloqueo.
El desempeño del material de drenaje afecta directamente la operación normal del túnel. La investigación existente muestra que la altura del nivel del agua subterránea en el túnel aumenta con una disminución en el desempeño del drenaje del túnel, lo que hará que la estructura de revestimiento del túnel soporte una carga más significativa. Para considerar verdaderamente las condiciones de servicio reales de las placas de drenaje en túneles y verificar la confiabilidad de la simulación numérica, con base en los procedimientos de prueba relevantes, se desarrolló un dispositivo de prueba de rendimiento de paso de agua para materiales de drenaje e impermeabilización de túneles, de acuerdo con la clasificación de Drenaje de Túneles Ferroviarios. Junta (TB/T3354-2014). Los materiales seleccionados para las pruebas fueron geotextil, placa de drenaje de cáscara y placa de drenaje capilar. El geotextil se usa generalmente como colchón de drenaje en túneles. Se utiliza como capa amortiguadora para proteger la placa impermeable; también tiene una capacidad específica para la conducción, filtración y drenaje del agua. Para facilitar la comparación del desempeño del drenaje, se agregó geotextil a las pruebas; los materiales de drenaje probados se muestran en la Tabla 2.
Las placas de drenaje de concha convexa están hechas en su mayoría de polietileno de alta densidad, con conchas convexas cerradas en la superficie, generalmente de forma redonda o semiesférica. Cuando la placa impermeable de la cubierta convexa se une a la superficie del soporte inicial, la cubierta convexa puede proporcionar una cierta altura de soporte y formar una lámina de paso de agua, como se muestra en la Fig. 13.
La placa de drenaje capilar está hecha principalmente de PVC. Bajo 'la fuerza de la gravedad y la capilaridad', el flujo de agua es succionado hacia la ranura del orificio del capilar, que se llena rápidamente. Bajo la acción de la tensión superficial del agua, forma una forma cerrada y la caída de la instalación se utiliza para generar 'fuerza de sifón'. Las tres fuerzas se combinan para recolectar, transportar y descargar el flujo de agua subterránea.
Los materiales geotextiles son en su mayoría fibras sintéticas con buena permeabilidad al agua. Suelen utilizarse como colchón de drenaje entre el soporte inicial y la placa impermeable en el sistema antidrenaje de un túnel. El geotextil realiza las funciones de amortiguamiento, guía de agua, filtrado de agua y drenaje.
Diagrama esquemático del paso de agua de la placa de drenaje de carcasa convexa.
En la actualidad, las pruebas de rendimiento de drenaje de los geosintéticos se realizan principalmente de acuerdo con los instrumentos y métodos proporcionados en los 'Procedimientos de prueba para materiales sintéticos civiles de ingeniería vial' (JTG E50-2006) y los 'Procedimientos de prueba para geosintéticos' (SL235-2012). ). Debido a la diferencia significativa entre la diferencia de altura del agua y la presión de soporte proporcionada por el instrumento y el entorno natural del túnel, los resultados de la prueba no pueden reflejar la situación real del material de drenaje en el túnel. Por lo tanto, considerando la condición real de la placa de drenaje en el túnel, este experimento se basa en el dispositivo de prueba de rendimiento de drenaje desarrollado por Chen32. Este comprende principalmente un tanque de almacenamiento de agua, un compresor de aire, un dispositivo de carga de presión de contacto y un dispositivo de recolección de flujo de agua, a través del cual se puede realizar la prueba de capacidad de drenaje y la prueba de capacidad antibloqueo, ver Fig. 14.
Dispositivo de prueba de rendimiento de paso de agua.
El tanque de almacenamiento de agua está compuesto por una placa de acero con un espesor de 10 mm y dimensiones de 50 × 50 × 100 (largo × ancho × alto); la parte superior del tanque de agua está conectada al tanque de agua con pernos de alta resistencia. Se utiliza una junta de goma entre la placa de cubierta de la brida y el tanque de agua, para garantizar la estanqueidad del tanque de agua. En la parte superior del tanque de agua, existe un puerto de inyección de agua con una abertura de 50 mm, a través de una conexión con la tubería de transmisión de agua, que proporciona la cabeza de actuación en la salida del tanque de agua, a la misma altura que la presión del agua. indicador. Esto mantiene un registro oportuno de la presión del agua del laboratorio. Una salida en la parte inferior de los tanques de agua permite limpiarlos fácilmente después de la prueba.
El dispositivo de carga de presión de agua se compone de un compresor de aire, un tubo de goma y un manómetro; el tanque de agua solo puede proporcionar una presión de agua máxima de 10 kPa. Cuando la presión de agua requerida para la prueba excede el valor máximo que puede proporcionar el tanque de agua, el dispositivo de carga de presión de agua proporciona la presión de agua requerida. Para la carga de presión normal sobre materiales geotextiles de drenaje, de acuerdo con los 'Procedimientos de prueba para geosintéticos' (SL235-2012), se utiliza el método de la placa de carga para la presurización; el sistema de prueba mecánica RMT-301 proporcionó el dispositivo de carga de presión de contacto. Para asegurarse de que la fuerza de la probeta era uniforme y el área de actuación cumplía los requisitos, se colocaron dos almohadillas rígidas (de dimensiones 25 × 25 cm, es decir, ligeramente más grandes que el tamaño de la probeta), en la plataforma de carga para simular la presión de apoyo de dos capas en la placa de drenaje. El canal de drenaje y el tanque de agua están conectados, el extremo del canal de drenaje está provisto de un tanque de recolección de agua graduado para medir el tamaño de la salida de agua, y el dispositivo anterior está ensamblado en un conjunto de rendimiento de drenaje funcional razonable y factible dispositivos de prueba.
Para probar el rendimiento de drenaje de los materiales geotextiles de drenaje en diferentes condiciones de trabajo, incluida la capacidad de drenaje y la capacidad anti-sedimentación, de modo que los resultados de la prueba puedan guiar la construcción del túnel de acuerdo con la prueba de gradiente hidráulico en 'Medición del flujo de agua en el plano de geotextiles y Productos relacionados' (GB/T 17633-2019), se puede ver que se deben proporcionar al menos 0,1 y 1,0 gradientes hidráulicos. Combinado con la profundidad del túnel y las condiciones hidrogeológicas, la presión de agua máxima de la prueba se fijó en 100 kPa, y la presión de agua se fijó en 20, 40, 60, 80 y 100 kPa. La presión de soporte se puede obtener de acuerdo con el monitoreo de campo y la referencia a los túneles de carreteras y ferrocarriles relacionados; la presión máxima de contacto es de 500 kPa, por lo que la prueba se establece en 50, 100, 200, 300, 400 y 500 kPa.
Durante la prueba de capacidad de drenaje, se utiliza agua pura para probar el rendimiento de drenaje de los materiales geotécnicos bajo diferentes soportes y presiones de agua. Las condiciones de prueba se muestran en la Tabla 3.
De acuerdo con los requisitos del procedimiento de prueba, la longitud de la muestra a lo largo de la dirección del flujo de agua debe ser de al menos 20 cm y el ancho de la muestra debe ser de al menos 20 cm. Durante la prueba, la placa de drenaje debe cortarse a 20 × 20 cm y colocarse en el dispositivo experimental; la muestra está encerrada en la placa de goma. La muestra debe ser plana sin pliegues y no debe haber fugas a su alrededor; el material de prueba y la placa de goma deben empaparse antes del experimento para que el material esté saturado. Durante el proceso de prueba, se aplica una presión de 20 kPa para mantener la muestra en su lugar y luego se inyecta agua de prueba en el tanque para hacer que el agua fluya desde la caja del modelo a través del canal de drenaje y drene las burbujas de la muestra. Para garantizar que la muestra esté siempre en estado saturado durante la prueba, la presión de contacto se ajusta a 50 kPa y luego, después de 15 min, el flujo de agua de salida debe ser estable. El compresor de aire se abre para presurizar el tanque de agua a la presión objetivo, ajustando el flujo de entrada de agua, para determinar la capacidad de drenaje de la pieza de prueba registrando el desplazamiento de agua durante 15 minutos y registrando cuando el drenaje es estable. Se registra el agua desplazada por la pieza de prueba dentro de los 15 minutos y se realizan tres grupos de pruebas bajo las mismas condiciones de trabajo. El valor de datos promedio se toma como datos de prueba en esta condición de trabajo.
Durante la prueba de capacidad anti-sedimentación, el agua de prueba se reemplaza por agua fangosa, preparada por sedimentos con un tamaño de partícula inferior a 1 mm. Un mezclador agita continuamente el agua sucia para evitar que la deposición de sedimentos afecte la prueba. La fracción de masa de sedimento en el agua fangosa es del 1%. Durante la prueba, la presión de contacto es de 200 kPa y la presión del agua es de 1 kPa. El volumen de drenaje y el contenido de sedimentos se registran y se utilizan como indicadores para evaluar la capacidad de los materiales geotécnicos de drenaje.
El rendimiento del agua de paso de los materiales de prueba bajo diferentes presiones de agua y presiones de soporte se estudia calculando la regla de variación del caudal por unidad de tiempo. La fórmula de cálculo es la siguiente:
donde q es el caudal por unidad de tiempo; \(v_{n}\) es el cambio de volumen de agua en el n-ésimo tanque colector de agua; \(t_{n + 1}\) es la hora de finalización de la enésima adquisición; y \(t_{n}\) es el enésimo tiempo de inicio de la adquisición.
Como el volumen máximo de agua de entrada de la prueba es de aproximadamente 1700 cm3/s, después de muchas pruebas en la placa de drenaje de la carcasa convexa, se concluyó que, cuando la presión del agua es más significativa que 1 kPa, el caudal ha excedido la entrada máxima. flujo de agua. Limitado por el flujo de entrada, para que los resultados de la prueba sean más convincentes, la presión del agua de prueba de la placa de drenaje de la carcasa convexa se seleccionó como 0,1 kPa, 0,5 kPa y 1,0 kPa; el rendimiento de paso de agua de los tres materiales bajo diferentes presiones de contacto se muestra en la Fig. 15. Se puede ver que, bajo las mismas condiciones de presión de agua, el rendimiento de paso de agua de otros materiales disminuye con un aumento en la presión de contacto. Cuando la presión del agua de la placa de drenaje de la carcasa es de 1 kPa y la presión de contacto aumenta de 50 a 500 kPa, la tasa de flujo por unidad de tiempo disminuye de 620,7 a 565,8 cm3/s. El rendimiento del drenaje se redujo en un 8,8 % cuando la presión del agua de la placa de drenaje capilar es de 100 kPa; la tasa de descarga por unidad de tiempo disminuyó de 785,1 a 506 cm3/s, con un aumento de la presión de contacto. El desempeño del drenaje disminuye en un 35,5%, el caudal por unidad de tiempo disminuyó de 58,9 a 25,73 cm3/s, en el geotextil, y la capacidad de drenaje disminuyó en un 56,3%. Se puede observar que la capacidad de drenaje del geotextil es la más afectada por las presiones de contacto. El área de drenaje efectiva del tablero de drenaje y el geotextil se reduce debido a la compresión y la deformación, y la tasa de reducción del flujo no es lineal. Con las presiones de contacto aumentando de 50 a 200 kPa, la tasa de flujo en la unidad de tiempo disminuye rápidamente. Cuando las presiones de contacto aumentan de 200 a 500 kPa, la tasa de reducción del flujo en la unidad de tiempo es limitada.
Variación de flujo bajo diferentes presiones de contacto.
La descarga de agua de la placa de drenaje capilar, la placa de drenaje de cubierta convexa y el geotextil bajo diferentes condiciones de presión de agua, se muestra en la Fig. 16. Se puede ver que, bajo la misma presión de contacto, la descarga de agua de cada material de drenaje aumenta con la aumento de la presión del agua y generalmente mantiene una relación lineal. Bajo la misma presión de contacto, la deformación de cada material permanece sin cambios, su espacio de paso de agua permanece intacto y la presión del agua determina principalmente la descarga de agua.
Variación de caudal bajo diferentes presiones de agua.
Para garantizar el rendimiento de drenaje estable a largo plazo del sistema de drenaje, los materiales de drenaje deben tener una buena capacidad anti-sedimentación. Durante la operación del túnel, debido a la filtración de agua superficial y subterránea, algunos productos de hidratación en la estructura de concreto se disolverán en el agua y reaccionarán con el dióxido de carbono disuelto para formar precipitaciones de carbonato de calcio, que pueden bloquear las tuberías de drenaje. Esto puede conducir a un aumento de la presión del agua en el revestimiento, que luego puede agrietarse. Con el tiempo, las grietas continúan aumentando, lo que lleva a que los sedimentos ingresen al sistema de drenaje a través de las grietas a través de la filtración de agua, lo que provoca la sedimentación del sistema de drenaje. Para estudiar la capacidad anti-sedimentación del geotextil, los tableros de drenaje capilar y los tableros de drenaje de cubierta convexa, se adopta una prueba de agua fangosa y la tasa de cambio de drenaje (en la unidad de tiempo) se muestra en la Fig. 17.
Curva de cambio de flujo.
Como se puede ver en la Fig. 18, la capacidad de drenaje de la placa de drenaje de la carcasa convexa aún no se ha atenuado significativamente. Después de varias pruebas de drenaje, la tasa relativa de cambio de su desplazamiento sigue siendo superior al 95% y la de la placa de drenaje capilar sigue siendo superior al 80%. Por el contrario, la capacidad de drenaje del geotextil disminuye continuamente y la tasa relativa de cambio del desplazamiento es solo del 50% después de 25 pruebas. Durante la prueba, el drenaje de la placa de drenaje capilar es transparente, pero el drenaje de la placa de drenaje de la cubierta convexa es turbio. Después de la prueba, el sedimento en el tanque de recolección de agua se muestra como en la Fig. 18a. Después de la prueba, el geotextil y la placa de drenaje se retiran del dispositivo de prueba, como se muestra en la Fig. 18b.
Pantalla anti sedimentación del material.
Al final de la prueba, el tanque de recolección de agua y la muestra fueron secados y pesados, y se obtuvo la masa de sedimento en el tanque de agua y en la superficie del material, como se muestra en la Tabla 4.
La Tabla 4 muestra que, después de 25 pruebas de agua fangosa, el contenido de sedimentos en el tanque alcanzó los 362,7 gy la acumulación de sedimentos en la superficie del material alcanzó los 18,3 g. Esto se debe a que, bajo el mismo gradiente de cabeza de agua, la descarga del tablero de drenaje de la cubierta es grande y las partículas de sedimento fluirán con la corriente. El flujo de agua facilita la entrada de partículas finas y gruesas al sistema de drenaje, lo que provoca la deposición de partículas. El tablero de drenaje de capa convexa y el geotextil están cubiertos con una capa de partículas de sedimento en la superficie. Durante el proceso de drenaje a largo plazo, las partículas finas del geotextil entran muy fácilmente en el geotextil y se adsorben en los poros, lo que provoca una fuerte disminución de la permeabilidad del geotextil y una disminución continua de la eficiencia del drenaje con el tiempo. Para la placa de drenaje capilar, el ancho de la ranura capilar es de solo 0,3 mm, lo que hace imposible que las partículas gruesas entren en la placa de drenaje y solo el agua fluye y una pequeña cantidad de partículas finas ingresan al canal de drenaje dentro de la placa de drenaje. Sin embargo, esto también hará que las partículas gruesas se depositen gradualmente al final de la placa de drenaje, lo que reducirá el área de descarga de la placa de drenaje capilar y esto muestra que la capacidad de drenaje disminuye después de muchas pruebas.
Basado en una investigación profunda de la literatura nacional y extranjera, y una combinación completa de análisis teórico, simulación numérica y experimentos en interiores, las características de distribución de la presión del agua externa en el revestimiento de túneles kársticos ricos en agua y una nueva impermeabilización y drenaje. sistema, son estudiados. Se extraen las siguientes conclusiones principales:
La presión del agua del sistema de drenaje tradicional es pequeña cerca de la tubería de drenaje. La presión del agua en el área central de las dos tuberías de drenaje es grande y muestra una distribución de la presión del agua en forma de 'onda'. La presión del agua del nuevo modo de drenaje se distribuye uniformemente en la parte superior del túnel y la presión del agua es mucho menor que la del sistema de drenaje tradicional. La 'descarga de línea' del sistema de drenaje tradicional se transforma en la 'descarga superficial' del nuevo sistema de drenaje. La presión superior del agua del nuevo sistema de drenaje se reduce en un 80,29 % y un 78,90 %, respectivamente, en comparación con la presión máxima del agua de la cintura del arco tradicional y la corona del arco.
Según los resultados de los cálculos numéricos, la presión del agua en el área de bloqueo del sistema de drenaje tradicional es significativamente mayor que la del nuevo sistema de drenaje. Cuando la longitud del bloqueo es de 2 m, 4 m, 6 m y 8 m, respectivamente (debido a su modelo especial de drenaje de superficie), la presión del agua externa del revestimiento lejos del área de bloqueo del nuevo sistema de drenaje disminuirá gradualmente a niveles normales El sistema de drenaje tradicional retrocederá lentamente y la presión de agua circunferencial máxima del nuevo sistema de drenaje será de 0,776 MPa, 0,930 MPa, 0,993 MPa y 1,030 MPa. La presión de agua circunferencial máxima del sistema de drenaje tradicional es de 1,03 MPa, 1,06 MPa, 1,07 MPa y 1,10 MPa, respectivamente. La presión de agua promedio en la corona del arco del nuevo sistema de drenaje es de 0,24 MPa, la presión de agua promedio en la cintura del arco es de 0,873 MPa, la presión de agua promedio en la corona del arco del sistema de drenaje tradicional es de 0,53 MPa y la presión de agua promedio la presión en la cintura del arco es de 1,06 MPa. Por lo tanto, la presión del agua en el área bloqueada del sistema de drenaje tradicional es significativamente mayor que la del nuevo sistema de drenaje.
Cuando la presión del agua de la placa de drenaje de la carcasa convexa es de 1 kPa y la presión de contacto aumenta de 50 a 500 kPa, el caudal por unidad de tiempo disminuye de 620,7 a 565,8 cm3/s y el rendimiento del drenaje disminuye en un 8,8 %. Cuando la presión del agua de la placa de drenaje capilar es de 100 kPa, el caudal por unidad de tiempo disminuye de 785,1 a 506 cm3/s, y el rendimiento del drenaje disminuye en un 35,5 %; El caudal por unidad de tiempo del geotextil disminuyó de 58,9 a 25,73 cm3/s, y la capacidad de drenaje disminuyó en un 56,3%. Se puede observar que la capacidad de drenaje del geotextil es la más afectada por la presión de contacto, seguida de la placa de drenaje capilar; el área de drenaje efectivo de la placa de drenaje capilar y el geotextil disminuyó drásticamente debido a la deformación por compresión.
Después de 25 pruebas de drenaje de agua fangosa, la capacidad de drenaje de la placa de drenaje con cubierta convexa disminuyó del 99 al 94 %: una disminución del 5 %. La capacidad de drenaje de la placa de drenaje capilar disminuyó del 97 al 81%: una disminución del 16%. La capacidad de drenaje del geotextil fue la que más disminuyó, del 94 al 50%: una disminución del 44%. Debido a la gran porosidad de la placa de drenaje de la cubierta convexa, las partículas gruesas y finas ingresarán al sistema de drenaje más fácilmente bajo la acción del flujo de agua, lo que resultará en sedimentación de partículas. Durante el proceso de drenaje a largo plazo del geotextil, las partículas finas ingresan muy fácilmente al geotextil y se adsorben en los poros, lo que conduce a la disminución continua del drenaje en el geotextil con el tiempo. Para la placa de drenaje capilar, el ancho de la ranura capilar es de solo 0,3 mm, por lo que las partículas gruesas no pueden ingresar al interior de la placa de drenaje; solo el flujo de agua y una pequeña cantidad de partículas finas ingresan al canal de drenaje dentro del tablero de drenaje. Sin embargo, esto también dará lugar a que las partículas gruesas asienten gradualmente el extremo de la placa de drenaje, lo que reducirá el área de descarga de agua al final de la placa de drenaje capilar, como se muestra en la reducción de la capacidad de drenaje después de muchas pruebas. .
Bajo la misma presión de contacto, la capacidad de agua de los materiales de drenaje aumenta con el aumento de la presión del agua y generalmente mantiene una relación lineal. Bajo la misma presión de agua, la capacidad de agua disminuye con el aumento de la presión de contacto y el grado de reducción disminuye gradualmente.
Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo.
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Los autores agradecen el apoyo de los proyectos financiados por la Fundación de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52168056), Proyecto de Investigación Básica de la Provincia de Guizhou ([2020]1Y250), Proyecto de Crecimiento de Talento de Ciencia y Tecnología para Jóvenes de Universidades y Colegios Ordinarios de la Provincia de Guizhou ( [2021] 101), (Tecnología de construcción de China) Qiankehe Support [2021] General 311.
Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Guizhou, Guiyang, 550025, China
Cong Zhang, Ning Liu, Kun Chen y Fang Zhou Ren
Laboratorio clave provincial de Guizhou de mecánica de rocas y suelos y seguridad de ingeniería, Guiyang, 550025, China
Cong Zhang, Ning Liu, Kun Chen y Fang Zhou Ren
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CZ Software, conservación de datos, redacción: borrador original; NL Conceptualización, metodología, adquisición de fondos, redacción—revisión y edición; Metodología KC, administración de proyectos, redacción—revisión y edición; FR Validación, investigación, supervisión.
Correspondencia a Ning Liu.
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Reimpresiones y permisos
Zhang, C., Liu, N., Chen, K. et al. Estudio sobre el modo de drenaje y comportamiento anti-obstrucción de un nuevo sistema de impermeabilización y drenaje en un túnel. Informe científico 13, 5354 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9
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Recibido: 12 diciembre 2022
Aceptado: 29 de marzo de 2023
Publicado: 01 abril 2023
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9
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