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Apr 22, 2024

Änderung des Temperaturfeldes um verschiedene Entwässerungsstrukturen im Tunnel der kalten Region basierend auf Modellversuchen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13967 (2023) Diesen Artikel zitieren 48 Zugriffe auf Metrikdetails Eine unsachgemäße Anordnung von Entwässerungsstrukturen und unzureichende Isolierungsmaßnahmen in kalten Tunneln können dazu führen

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Durch unsachgemäße Auslegung von Entwässerungsbauwerken und unzureichende Dämmmaßnahmen in kalten Tunneln kann es während des Betriebs zu unterschiedlich starker Frostbildung kommen. Diese Studie konzentriert sich auf den Hongtoushan-Autobahntunnel als Beispiel, wo die Verteilungseigenschaften des Temperaturfelds um die untere Entwässerungsstruktur unter verschiedenen Anordnungen durch Indoor-Modelltests untersucht werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es bei Temperaturänderungen über den Querschnitt hinweg mit zunehmender Versenkungstiefe ein signifikantes Hysteresephänomen gibt. Mit zunehmender Versenkungstiefe des umgebenden Gesteins verlängert sich die Hysteresezeit der Temperaturänderungen allmählich. Das Temperaturschwankungsmuster kann durch ein kubisches Polynom angenähert werden. Im vertikalen Abschnitt steigt mit zunehmender Tunneltiefe die Temperatur des umgebenden Gesteins im unteren Teil des Tunnels allmählich an, während die Amplitude der Temperaturänderung abnimmt. Die Temperatur in der Nähe der Mittellinie ist relativ niedriger als an den Seiten, wo die Temperatur mit zunehmender Entfernung von der Mittellinie allmählich ansteigt.

Aufgrund des groß angelegten Ausbaus der westlichen Infrastruktur reichen die in lokalen Gebieten gebauten Tunnel nicht mehr aus, um den regionalen Anforderungen gerecht zu werden. Infolgedessen werden Tunnel in höheren Breiten, Höhenlagen und in kälteren Regionen mit extrem rauen natürlichen Bedingungen gebaut1,2,3. Der Bau von Tunneln in solchen Gebieten bringt komplexere klimatische, geologische, mechanische und technische Herausforderungen mit sich4. Darüber hinaus müssen die Auswirkungen starker Kälte auf die Frostbeständigkeit von Portalbauwerken und Entwässerungsanlagen sowie die Sicherheit von Tunneln im Betrieb berücksichtigt werden. Insbesondere beim Tunnelbau in kalten Regionen müssen eine Reihe kältebedingter Probleme berücksichtigt werden, wie etwa das Einfrieren der Tunnelentwässerung und der Frostanstieg der Entwässerungsleitungen, die wesentliche Faktoren sind, die Tunnelkrankheiten verursachen5. Diese Probleme müssen angegangen werden, um den sicheren und effizienten Betrieb von Tunneln in solchen Regionen zu gewährleisten.

Häufige Probleme in kalten Tunneln sind Wasseraustritt, Risse in der Auskleidung und Frost-Tau-Schäden6,7. Unter diesen können Wasserversickerung und Frost-Tau-Wechsel erhebliche Auswirkungen haben. Zusätzlich zur Berücksichtigung der Konstruktionsmerkmale normaler Tunnel stehen kalte Tunnel vor der zusätzlichen Herausforderung, dass Frostschäden an Entwässerungsanlagen auftreten. In den letzten Jahrzehnten hat China viele Kältetunnel gebaut. Durch Untersuchungen vor Ort wurde festgestellt, dass aufgrund der extrem rauen Wetterbedingungen und der unangemessenen Platzierung von Entwässerungsanlagen etwa 80 % der alpinen Kältetunnel ein gewisses Maß an Frostschäden aufweisen. Dies beeinträchtigt nicht nur ihren normalen Betrieb, sondern führt auch zu schweren Verkehrsunfällen, was erhebliche Schwierigkeiten für die spätere Wartung und Prävention mit sich bringt8,9,10. Beispielsweise kam es im Qidaoliang-Tunnel in der Provinz Gansu und im Dabanshan-Tunnel in der Provinz Qinghai in China während der strengen kalten Jahreszeit zu verschiedenen Krankheiten wie schwerem Wasseraustritt, Eishängen und Auskleidungsrissen. Das Einfrieren des Entwässerungsgrabens erschwert die Ableitung des umgebenden Gesteins und des Grundwassers hinter der Tunnelauskleidung, was dazu führt, dass das umgebende Gestein gefriert und sich hebt, was die normale Nutzung des Tunnels erheblich beeinträchtigt und eine große Menge an Vermögenswerten verbraucht11,12. Jüngsten statistischen Erhebungen in Japan zufolge weisen fast 30 % der Eisenbahntunnel einen gewissen Grad an Frostschäden auf. In der japanischen Region Hokkaido beeinträchtigt das Problem der Frostschäden an den Wasserdichtungs- und Entwässerungsstrukturen großer Autobahntunnel die normale Tunnelnutzung erheblich13. Daher sind beim Tunnelbau in alpinen Kälteregionen die Lösung des Problems der Isolierung der Tunnelauskleidung und des Frostschutzes sowie die Einrichtung eines angemessenen Wasser- und Entwässerungssystems von entscheidender Bedeutung, um Schäden durch Tunnelfrost zu verhindern.

Herkömmliche Techniken zum Blockieren und Ableiten von Leckwasser und zur Behandlung von Auskleidungsrissen können den aktuellen Anforderungen nach und nach nicht mehr gerecht werden, und es sind neue Forschungsarbeiten zu Entwässerungsstrukturen erforderlich10,11,12,13,14. Kim et al.15 untersuchten die Ursachen des Wassersickerns in alpinen Kalttunneln, indem sie neue Tunnelentwässerungsstrukturen entwickelten. Liu et al.16 stellten die Grundprinzipien, Ideen und spezifischen Maßnahmen zur Behandlung von Krankheiten wie Wasserlecks, Isolierung und Verstärkung der Auskleidung im Dabanshan-Kalttunnel vor, indem sie die Ursachen der Tunnelkrankheiten analysierten. Um das Risiko einer Verstopfung im Tunnelentwässerungssystem zu verringern, ermittelten Liu et al.17 die Verteilung von Defekten in Autobahntunneln durch Untersuchungen vor Ort, Experimente in Innenräumen und Literaturanalysen und schlugen eine Optimierungsmethode für die Tunnelentwässerungsstruktur vor. Ji et al.18 schlugen vor, das kreisförmige Entwässerungsrohr direkt mit dem zentralen Entwässerungsrohr zu verbinden und in Bereichen, in denen das umgebende Gestein reich an Wasser ist, sowie im mittleren und unteren Teil des kreisförmigen Entwässerungsrohrs eine Streifenisolationsschicht zu installieren neigen zum Erfrieren. Der Anschluss des kreisförmigen Entwässerungsrohrs an das zentrale Entwässerungsrohr im Kaltkanal ist für die Tunneldämmung von Vorteil. Um das Tunnelentwässerungssystem strikt wasserdicht zu machen und zu verbessern, schlugen Lu et al.19 einen Plan für die Isolierschicht des Zierstreifens vor dem kreisförmigen Tunnelentwässerungsrohr vor. Das kreisförmige Entwässerungsrohr ist direkt mit dem zentralen Entwässerungsrohr verbunden, und das Längsentwässerungsrohr ist über ein T-Stück19 mit dem kreisförmigen Entwässerungsrohr verbunden. Luo et al.20 schlugen Frostschutzmaßnahmen mit zentralen Gräben, tiefen zentralen Gräben, Wärmeschutzschichten und Entwässerungslöchern vor, um den unterschiedlichen Graden von Frostschäden in Tunneln entgegenzuwirken. Die strukturelle Form der Verwendung einer Verbundauskleidung und des Einbringens wasserdichter Schichten zwischen den Auskleidungen ist nicht nur vorteilhaft für die Abdichtung und Entwässerung, sondern auch für den Frostschutz. Die Forschungsergebnisse der oben genannten Wissenschaftler beweisen voll und ganz, dass die Abdichtung in kalten Tunneln das Fundament, die Entwässerung der Kern und der Frostschutz der Schlüssel sind.

Dieser Artikel konzentriert sich auf den Hongtu-Gebirgstunnel auf der Linie S308 in der Provinz Qinghai. Um den Einfluss der Isolationsbedingungen auf die Temperaturfeldverteilung rund um die Tunnelentwässerungsstruktur zu untersuchen, wurde ein maßstabsgetreuer Modellversuch durchgeführt. Die Testergebnisse sowohl des Querschnitts als auch des vertikalen Abschnitts des Tunnels wurden unter Berücksichtigung der Tiefe des umgebenden Gesteins und der Tunneltiefe analysiert, um die Verteilungseigenschaften des Temperaturfelds zu verstehen. Das ultimative Ziel dieser Forschung besteht darin, tunnelbezogene Probleme zu mildern, die durch unzureichende Entwässerung in kalten Tunneln verursacht werden, und gleichzeitig wertvolle Erkenntnisse für den Bau und den sicheren Betrieb von Tunneln zu liefern.

Das Projekt basiert auf dem Hongtushan-Tunnel in der Provinz Qinghai mit komplexem und abwechslungsreichem Gelände und Landschaftsformen auf einer Höhe von etwa 4000–4800 m. Der Hongtushan-Tunnel ist ein einlochiger bidirektionaler Vortriebstunnel mit einer Nettobreite von 13,0 m und einer Nettohöhe von 5,0 m. Die Einfahrtshöhe des Tunnels beträgt 4280 m und die Höhe der Ausfahrtsstraße 4350 m. Die Gesamtlänge des Tunnels beträgt 3170 m. Die geplante Höhe der Straßenoberfläche beträgt 4280,83–4352,90 m, die geplante Längsneigung beträgt 2,4 %. Die Achsenrichtung beträgt 261° und die maximale Verschüttungstiefe des Tunnels beträgt 277 m. Das Red Soil Mountain Tunnel-Projekt liegt im Herzen eines Binnenplateaus und zeichnet sich durch große Höhen, relativ niedrige Temperaturen, reichlich Sonnenlicht, starke Sonneneinstrahlung und ein typisches kontinentales Plateauklima aus, das durch gleichzeitige Regen- und Hitzeperioden gekennzeichnet ist. Am Standort des Tunnels gibt es lange Winter und kurze Sommer mit fließenden jahreszeitlichen Übergängen und erheblichen Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht. Die jährliche Durchschnittstemperatur liegt bei 0,4 °C, mit einer durchschnittlichen Höchsttemperatur von 11,7 °C und einer durchschnittlichen Tiefsttemperatur von −3,2 °C. Extreme Temperaturen können in der Spitze auf bis zu 28,7 °C ansteigen und in der kältesten Phase auf –27,6 °C absinken. Die Luft ist dünn und es gibt keine definitive frostfreie Zeit. Die maximale Gefriertiefe beträgt ca. 2,98 m. Die hydrogeologischen Bedingungen im Bereich des Tunnelstandorts sind außerordentlich kompliziert, was vor allem auf das weit verbreitete Vorkommen saisonal gefrorener Böden zurückzuführen ist. Dieses Merkmal verleiht dem Gebiet einen unverwechselbaren Aspekt. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie den Verteilungsmustern des Grundwassers entlang der Route kann die Region daher in drei verschiedene Kategorien eingeteilt werden: die obere Wasserschicht liegt über der gefrorenen Schicht in der saisonal gefrorenen Bodenzone, die untere Wasserschicht liegt unter der gefrorenen Schicht und das Grundwasser innerhalb der Tauzone.

Um die Standortanforderungen zu erfüllen, muss das Tunnelmodell der geometrischen Ähnlichkeit, der Zeit- und Temperaturähnlichkeit, der Wärmeleitfähigkeitsähnlichkeit und der spezifischen Wärmekapazitätsähnlichkeit entsprechen. Die Genauigkeit der spezifischen Ähnlichkeit basiert auf der von Lai et al.21 vorgeschlagenen Forschungsmethode.

Es gibt drei Hauptähnlichkeitssätze, die bei Modelltests befolgt werden sollten: der Ähnlichkeitssatz, der π-Satz und der inverse Ähnlichkeitssatz. Das Tunnelmodell und der Prototyp sollten die folgenden Ähnlichkeitsanforderungen erfüllen: geometrische Ähnlichkeit, Randbedingungsähnlichkeit und thermodynamische Parameterähnlichkeit.

Geometrische Ähnlichkeit: Die geometrischen Abmessungen des Modellversuchs sollten proportional zu den tatsächlichen Abmessungen des Tunnels verkleinert werden. Das Längenähnlichkeitsverhältnis ist gegeben durch:

Aus der Längenähnlichkeitskonstante können das Flächenähnlichkeitsverhältnis und das Volumenähnlichkeitsverhältnis wie folgt abgeleitet werden:

Hier repräsentiert C eine Konstante, l repräsentiert die Größe, p repräsentiert den Prototyp und m repräsentiert das Modell.

Die Randbedingungen bei Tunnelmodellversuchen können zeitlich und temperaturabhängig variieren, auch die Ähnlichkeit der Randbedingungen hinsichtlich Zeit und Temperatur sollte gewahrt bleiben.

Die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität der für den Tunnelmodelltest ausgewählten Materialien sowie die Wärmedämm- und Frostschutzmaterialien sollten denen des Prototyps ähneln.

Unter Berücksichtigung von Faktoren wie der experimentellen Betriebsfähigkeit wurde das geometrische Reduktionsverhältnis des Tunnelquerschnitts auf 1:24 festgelegt, obwohl die Gesamttiefe des Tunnelprototyps 3020 m betrug. Dies wurde als optimales Verhältnis für den skalierten Modelltest ermittelt. Für Bauwerke mit einer relativ großen Schlankheit innerhalb des Tunnels sollte ein Modell mit variabler Rate verwendet werden, wenn ein skalierter Modelltest für das gesamte Bauwerk durchgeführt wird. In dieser Studie wurde die variable Rate in Tiefenrichtung des Tunnelmodells mit 41,94 bestimmt, und die Tiefe des Tunnelmodells wurde auf 3 m festgelegt, der Innendurchmesser des Tunnels beträgt 30 cm, die Dicke der Dämmschicht beträgt 3 cm.

Die Verschüttungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens im ursprünglichen Tunnel beträgt 2,9 m, während der Kaltentlastungsstollen eine Verschüttungstiefe von 4,5 m aufweist. Aufgrund von Einschränkungen bei den Teststandortbedingungen und der Testdurchführbarkeit wurde ein geometrisches Reduktionsverhältnis von 1:24 für die Vergrabungstiefe der Entwässerungsstruktur ermittelt. Folglich wurde die Verschüttungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens auf 12 cm und die Verschüttungstiefe des Kaltentlastungsstollens auf 19 cm festgelegt. Der Rohrdurchmesser des zentralen Entwässerungsgrabens wurde ebenfalls mit 2,0 cm ermittelt.

Das endgültige Mischungsverhältnis des Auskleidungsbetons wird wie folgt bestimmt: Wasser: Zement: Sand: Stein = 0,38: 1: 1,11: 2,72, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 2,410 W/m K, was ungefähr der Modellstandard-Wärmeleitfähigkeit von C25-Beton entspricht von 2,461 W/m K.

Das Mischungsverhältnis der umgebenden Gesteinsmaterialien beträgt: Wasser: Sand: Kalk: Stein: Boden = 0,35: 1,5: 0,2: 0,6: 2,0, und die Wärmeleitfähigkeit wird als Durchschnittswert von 2,64 W/m K für verschiedene Gesteinsarten angenommen gebraucht. Die Parameter der umgebenden Gesteinsmaterialien sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gesteinsmaterials des Tunnelmodells ähnelt der des bauseitigen Tunnelgesteins. Durch den Verhältnistest wird ein angemessenes Materialverhältnis ermittelt, und dann werden verschiedene Materialien entsprechend den Ergebnissen des Verhältnistests gleichmäßig im Verhältnis gemischt. Nach Abschluss der Modellherstellung wird das Modell gegossen. Um zu verhindern, dass die Modellhügel zu schwer werden, kann die Betonfestigkeitsklasse entsprechend erhöht werden und es kann Beton der Güteklasse C30 verwendet werden. Die experimentelle Modellvorbereitung ist in Abb. 1 dargestellt. Die Erstellung von Tunnelmodellen basiert auf dem Forschungsplan von Liu et al.11. Liu et al.11 verwiesen auf die Standortbedingungen des Dabanshan-Tunnels und die Durchführbarkeit des Modelltests. Der Indoor-Modelltunnel wurde durch Maßstabsverkleinerung mit einer Tunnellänge von 3 m und Innen- und Außendurchmessern von 12,2 cm gebaut; 13,2 cm. Das umgebende Gesteinsmaterial des Tunnels wird entsprechend den Bedingungen vor Ort hergestellt und besteht aus 7,5 % Wasser, 32,2 % Sand, 4,3 % Kalk, 12,9 % Niveau und 43,0 % Erde11.

Vorfertigung des Modellgeräts. (a) Vermischung umgebender Gesteinsmaterialien; (b) Modell-Tunnel-Stahldrahtgeflecht-Layout; (c) Isolationsschicht und Sensorlayout; (d) Betongießen; (e) Thermometereinbettung; (f) Datenerfassung.

Im Experiment wurden PVC-Rohre sowohl als zentraler Entwässerungsgraben als auch als Entwässerungslöcher gegen Kälte verwendet. Die beiden wurden dann mit einem 8-mm-Schlauch verbunden. Ein Wassertank wird in einem bestimmten Abstand über der Tunneloberkante platziert und der Auslass des Wassertanks ist mit einem PVC-Rohr verbunden. Am PVC-Rohr ist ein Ablassventil angebracht, um den Wasserfluss durch Einstellen des Ventils zu steuern. Abbildung 2 zeigt den Aufbau des Entwässerungssystems.

Anordnung des Entwässerungssystems. (a) Schematische Darstellung der Entwässerungsstruktur; (b) Anordnung der Entwässerungsstruktur.

Es wurden zwei Entwässerungstestpläne durchgeführt. Schema I umfasste die Festlegung von Isolierungsbedingungen für den umgekehrten Bogen und den zentralen Entwässerungsgraben, während Schema II die Festlegung von Isolierungsbedingungen für den umgekehrten Bogen, den zentralen Entwässerungsgraben und den Anti-Kälte-Entwässerungstunnel umfasste. Spezifische Isolationsbedingungen sind in Abb. 3 detailliert aufgeführt.

Wärmedämmkonzept für Tunnelentwässerungsstruktur. (a) Schema I; (b) Schema II.

Nach Fertigstellung des Temperatursensors und der Entwässerungsstruktur wird der Modelltunnel platziert und der Modellhügel gestapelt. Um die Gefrierbedingungen des Tunnels, die Wasserdurchflussrate und die Verteilung des Temperaturfelds um die Entwässerungsstruktur besser zu simulieren, sind auf beiden Seiten des Tunnels rund um den Felshügel vier Gefrierrohre installiert, um den Gefriereffekt kalter Außenluft zu simulieren der Tunnel auf dem Tunnel. Ein Schema des Temperatursensors, der den Einsatz in den Quer- und Längsabschnitten des Tunnels zeigt, ist in Abb. 4 dargestellt.

Aufbaudiagramm des Temperatursensors. (a) Querschnitt; (b) Längsschnitt.

Unter der Annahme, dass der Abstand vom zentralen Entwässerungsgraben zum Umkehrbogen Einheit 1 beträgt, betragen die Verschüttungstiefen der Messpunkte in verschiedenen Tiefen im Querschnitt 5/13 x, 10/13 x, 16/13 x, 21/13 x, 28/13 x, 33/13 x bzw. 38/13 x.

Im Längsschnitt wird davon ausgegangen, dass die Gesamttiefe des Modelltunnels als 1 definiert ist. Am Beispiel der 5 cm Tiefe des Tunnels wird sie als 1/60 der Gesamttiefe des Tunnels dargestellt. Die anderen Abschnittspositionen stimmen mit dieser Darstellungsmethode überein.

Alle Probanden und ihre Erziehungsberechtigten sind sich dessen bewusst und erklären sich damit einverstanden, es für die Veröffentlichung von Identifikationsinformationen und Bildern in Online-Open-Access-Publikationen zu verwenden.

Um die Wirksamkeit des Tunnelentwässerungsbauwerks zu beurteilen, wurden verschiedene Faktoren untersucht. Dazu gehört auch, ob die Entwässerungsleitung bei niedrigen Temperaturen gefriert und ob ein solches Einfrieren die normale Nutzung des Entwässerungssystems beeinträchtigt. Darüber hinaus wurde untersucht, ob die im Entwässerungsbauwerk eingerichteten Dämmmaßnahmen erhebliche Dämmwirkungen bieten. Daher wurden Dämmplatten angebracht, um sowohl den umgekehrten Bogen als auch den zentralen Entwässerungsgraben zu isolieren, und anschließend wurden Gefriertests durchgeführt. Dadurch wurden an jedem Messpunkt Temperaturdaten gesammelt, die es ermöglichten, die Temperaturverteilungseigenschaften der Entwässerungsstruktur des Tunnels an verschiedenen Positionen im Quer- und Längsabschnitt zu bestimmen.

Abbildung 5 zeigt die Variationskurve der umgebenden Gesteinstemperatur mit der Gefrierzeit an verschiedenen Positionen des Querschnitts in einem Abstand von 1/60 von der Tunnelöffnung außerhalb des Tunnels.

Zusammenhang zwischen Querschnittstemperatur und Gefrierzeit am Standort des Tunnelportals. (a) 5/13 x; (b) 10/13 x; (c) 16/13 x; (d) 21/13 x; (e) 28/13 x; (f) 33/13 x; (g) 38/13 x.

Basierend auf den in Abb. 5 dargestellten Informationen kann beobachtet werden, dass bei geringeren Verschüttungstiefen mit Beginn des Gefriertests die Temperatur allmählich mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,25–0,35 °C/h abnimmt. Mit zunehmender Versenkungstiefe des tiefer gelegenen umgebenden Gesteins wird jedoch ein Hysterese-Phänomen bei der Temperaturänderung beobachtet. Zu Beginn des Gefrierens verlangsamt sich die Temperaturabfallgeschwindigkeit auf etwa 0,1 °C/h und die Temperaturänderungskurve wird relativ flach. Die Verzögerungszeit der Temperaturänderung variiert je nach Versenkungstiefe, wobei bei tieferen Versenkungstiefen eine längere Verzögerungszeit beobachtet wird. Je weiter vom Boden der Tunnelsohle entfernt, desto unwahrscheinlicher ist es, dass die kalte Luft im Tunnel die Temperaturänderungen der Tunnelsohle beeinflusst umgebenden Felsen. Daher gibt es eine erhebliche Hystereseperiode in der Temperatur unter dem tiefen umgebenden Gestein. Beispielsweise beträgt die Verzögerungszeit der Temperaturänderung bei der 10/13-fachen Versenkungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens 10 Stunden. Im Gegensatz dazu erhöht sich die Verzögerungszeit bei 38/13-facher Verschüttungstiefe desselben Entwässerungsgrabens auf 22 Stunden. Während der Verzögerungszeit sinkt die Temperatur an jedem Messpunkt allmählich mit einer durchschnittlichen Abnahmerate von etwa 0,1 °C/h. Wenn die Gefrierzeit die Verzögerungszeit überschreitet, nimmt die Geschwindigkeit der Temperaturänderung schnell zu, was zu einem starken Temperaturabfall mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,3 °C/h führt, was etwa dem Zwei- bis Dreifachen der Temperaturabfallrate während der Verzögerungszeit entspricht . Sobald die Temperatur um ein bestimmtes Maß gesunken ist, nähert sich der Austausch von kalter und warmer Luft dem Gleichgewicht, was zu einer deutlichen Verringerung der Geschwindigkeit des Temperaturabfalls und letztendlich zu einer Stabilisierung der Temperatur führt.

Die Verzögerungszeit der Temperaturänderungen bei unterschiedlichen Versenkungstiefen auf dem Querschnitt von 1/60 Tunneltiefe und 1/60 Tunneltiefe außerhalb des Tunnels ist in Tabelle 2 und Abb. 5 dargestellt.

Abbildung 6 zeigt die Variation der Temperatur des umgebenden Gesteins an verschiedenen Positionen des Querschnitts in einem Abstand von 1/60 von der Tunnelöffnung außerhalb des Tunnels.

Temperaturänderungen an verschiedenen Stellen der Tunnelquerstrecke. (a) Temperaturkonturkarte der Tunnelquerrichtung; (b) Temperaturvektorkarte der Tunnelquerrichtung.

Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass bei gleicher Verschüttungstiefe der Temperaturwert in der Mittellinie des Tunnels am niedrigsten ist. Wenn wir uns nach links und rechts bewegen, steigt der Temperaturwert allmählich an und erreicht seinen Höhepunkt in einem Abstand von 15 cm von der Mittellinie. Der maximale Temperaturunterschied zwischen der Mittellinie des Tunnels und jeder Position auf der linken und rechten Seite beträgt etwa 1,7 °C. Dieser Temperaturunterschied entspricht einer Versenkungstiefe vom 5/13-fachen, dem 10/13-fachen der Versenkungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens und dem 16/13-fachen der Versenkungstiefe desselben Entwässerungsgrabens. Darüber hinaus werden die Temperaturwerte jedes Messpunkts mit zunehmender Versenkungstiefe des umgebenden Gesteins aufgrund von atmosphärischen Temperaturänderungen und dem Einfluss der Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt schwächer. Flach vergrabenes umgebendes Gestein wird stark vom Austausch von kalter und heißer Luft beeinflusst und erfährt einen erheblichen Temperaturabfall, während tiefer vergrabenes umgebendes Gestein zu positiven Temperaturen tendiert und die minimale Innentemperatur allmählich ansteigt. Im Bereich vom 16/13-fachen der Verschüttungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens bis zur Tiefe der Tunnelsohle wird ein Bereich mit negativer Temperaturverteilung beobachtet, mit Temperaturen im Bereich von etwa − 0,1 bis − 0,5 °C und einer Mindesttemperatur von − 0,5 °C. Mittlerweile wird rund um den Anti-Kälte-Entwässerungstunnel ein positiver Temperaturverteilungsbereich mit einem Temperaturbereich von 1,1–2,5 °C, einer Mindesttemperatur von 1,1 °C und einem maximalen Temperaturunterschied von etwa 1,4 °C festgestellt. Die Temperaturschwankungskurve in Abb. 6 wurde mithilfe von Datenanpassungstechniken angepasst und durch eine kubische Polynomgleichung dargestellt. Die Parameter der Anpassungsgleichung finden Sie in Tabelle 3.

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass die Varianz der Anpassungsgleichung grundsätzlich über 0,99 liegt, was auf einen hohen Grad an Datenanpassung hinweist. Die Variation der Temperatur mit der Gefrierzeit kann durch ein kubisches Polynom dargestellt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich bei der Isolierung des umgekehrten Bogens und des zentralen Entwässerungsgrabens die Temperatur verschiedener Abschnitte des Tunnels mit fortschreitender Gefrierzeit ändert. Flach vergrabenes umgebendes Gestein erfährt einen schnellen Temperaturabfall, der mit zunehmender Gefrierzeit in den frühen Stadien des Gefrierens weiter abnimmt. Mit zunehmender Versenkungstiefe weist die Temperaturänderung an jedem Messpunkt ein erhebliches Verzögerungsphänomen auf, und diese Verzögerungszeit nimmt tendenziell mit der Versenkungstiefe des umgebenden Gesteins allmählich zu23. Die Temperaturschwankungskurve mit der Gefrierzeit an jeder Messpunktposition folgt einer annähernd kubischen Polynomform, dargestellt durch:

Hier steht T für die Temperatur; C, B stellen Konstante dar; t steht für Zeit.

Bei gleicher Verschüttungstiefe ist die Temperatur in der Nähe der Mittellinie des Tunnels relativ niedrig, wobei der Temperaturwert zunimmt, wenn wir uns von der Mittellinie zur linken und rechten Seite entfernen. Es ist erwähnenswert, dass sich das Temperaturschwankungsmuster in der Tiefe des Tunnels von dem im äußeren Abschnitt beobachteten unterscheidet. Während die Temperatur an der Mittellinie des Tunnels niedriger ist als im Bereich von 10 cm auf beiden Seiten, ist die Temperatur an der 15 cm-Position auf beiden Seiten der Mittellinie am niedrigsten. Darüber hinaus steigt die Temperatur des umgebenden Gesteins an derselben Stelle mit zunehmender Versenkungstiefe allmählich an, während die Amplitude der Temperaturänderung mit zunehmender Versenkungstiefe tendenziell allmählich abnimmt.

Abbildung 7a–g zeigt die Temperaturschwankungskurven in Längsrichtung bei verschiedenen Versenkungstiefen im Tunnel, Abb. 8a–e zeigt die Kontur- und Vektorkarten der Temperaturschwankung in Längsrichtung an verschiedenen Positionen im Tunnel.

Temperaturverlaufskurve in Längsrichtung an verschiedenen Stellen im Tunnel. (a) 5/13 x; (b) 10/13 x; (c) 16/13 x; (d) 21/13 x; (e) 28/13 x; (f) 33/13 x; (g) 38/13 x.

Vektordiagramm der longitudinalen Temperaturänderungen an verschiedenen Stellen des Tunnels. (a) Vektorkarte der Temperaturschwankung bei 10 cm auf der linken Seite der Tunnelmittellinie; (b) Temperaturvariationsvektorkarte bei 5 cm auf der linken Seite der Tunnelmittellinie; (c) Vektorkarte der Temperaturänderungen an der Mittellinie des Tunnels; (d) Temperaturvariationsvektorkarte bei 5 cm auf der rechten Seite der Tunnelmittellinie; (e) Temperaturvariationsvektorkarte bei 10 cm auf der rechten Seite der Tunnelmittellinie.

Aus Abb. 8a und e ist ersichtlich, dass die Temperaturänderungen entlang der axialen Richtung an 10-cm-Positionen auf beiden Seiten der Tunnelmittellinie nahezu identisch sind. Ab einer Tiefe von 7/30 des Tunnels bis zur Position in der Nähe des Tunneleingangs nehmen die Temperaturwerte in unterschiedlichen Versenkungstiefen unterhalb des Tunnelbogens mit abnehmender Tunneltiefe ab. Der Temperaturwert ist bei 1/12 der Tunneltiefe außerhalb des Tunneleingangs am niedrigsten. Um den zentralen Entwässerungsgraben außerhalb des Tunnels treten negative Temperaturen auf, während im Tiefenbereich des Tunnels positive Temperaturen auftreten.

Aus Abb. 8b–d ist die Temperaturschwankung entlang der axialen Richtung an der Mittellinie des Tunnels und seinen 5-cm-Positionen auf beiden Seiten grob wie folgt dargestellt: von einer Tiefe von 7/30 des Tunnels bis zu 1/12 der Tunneltiefe Außerhalb des Tunnels nimmt die Temperatur mit abnehmender Tunneltiefe ab. Die höchste Temperatur bei gleicher Versenkungstiefe tritt bei 7/30 Tunneltiefe auf, und die niedrigste Temperatur tritt bei 1/12 Tunneltiefe außerhalb des Tunnels auf. Es gibt eine negative Temperaturverteilung rund um den zentralen Entwässerungsgraben im Abstand von 5 cm auf beiden Seiten der Tunnelmittellinie, es gibt jedoch leichte Abweichungen in den Bereichen mit negativer Temperaturverteilung. Im Bereich des Anti-Kälte-Entwässerungstunnels herrscht keine negative Temperatur und alle Messpunkte sind positiv. Das Temperaturänderungsmuster zeigt an, dass die Temperatur mit abnehmender Tiefe allmählich abnimmt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter den Isolationsbedingungen des Tunnelbogens und des zentralen Entwässerungsgrabens in einem bestimmten Bereich rund um den zentralen Entwässerungsgraben immer noch negative Temperaturen herrschen. Mit zunehmender Tunneltiefe nimmt der Temperaturwert allmählich zu und die Amplitude des Temperaturanstiegs nimmt allmählich ab. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Gefrierrohren, die außerhalb des Tunnels angeordnet sind, sind die Temperaturwerte auf der linken und rechten Seite der Tunnelmittellinie relativ niedrig (Li et al.12).

Abbildung 9 zeigt die Variationskurve der Temperatur des umgebenden Gesteins mit der Gefrierzeit an verschiedenen Positionen des Querschnitts in einem Abstand von 1/60 von der Tunnelöffnung außerhalb des Tunnels.

Zusammenhang zwischen Querschnittstemperatur und Gefrierzeit am Standort des Tunnelportals. (a) 5/13 x; (b) 10/13 x; (c) 16/13 x; (d) 21/13 x; (e) 28/13 x; (f) 33/13 x; (g) 38/13 x.

Wie in Abb. 9 dargestellt, sinkt die Temperatur in einer Tiefe von 5/13 Mal der Tiefe des zentralen Entwässerungsgrabens mit zunehmender Gefrierzeit schnell mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2–0,3 °C/h nach Beginn des Gefrierens Gefriervorgang. Wenn die Gefrierzeit 25 Stunden erreicht, flacht die Temperaturänderungskurve leicht ab und die Temperaturänderungsrate sinkt auf 0,15 °C/h. Wenn die Gefrierzeit jedoch weiter zunimmt, sinkt die Temperatur immer noch, wenn auch die Amplitude des Temperaturabfalls abnimmt. Wenn die Gefrierzeit zwischen 40 und 52 Stunden liegt, nimmt die Amplitude der Temperaturänderung mit zunehmender Gefrierzeit weiter ab und die Temperaturänderungsrate bleibt bei etwa 0,05–0,1 °C/h. Wenn der Austausch von kalter und heißer Luft einen Gleichgewichtszustand erreicht, ändert sich die Temperatur mit zunehmender Gefrierzeit nicht mehr und stabilisiert sich schließlich. In Tiefen vom 10/13- bis 38/13-fachen der Versenkungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens kommt es zu einem Hysteresephänomen bei der Temperaturänderung mit der Gefrierzeit. Zu Beginn des Gefrierens ist die Temperaturänderung relativ gering und die Temperaturänderungskurve mit der Gefrierzeit ist relativ flach, mit einer geringen Temperaturabfallrate von etwa 0,05–0,1 °C/h. Die Temperaturgefrierzeitkurve erfährt zum Verzögerungszeitpunkt erhebliche Änderungen, und das Ausmaß und die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls nehmen schnell zu. Die Änderungskurve der Temperaturgefrierzeit kann durch Datenanpassung mit einem kubischen Polynom angepasst werden, und die Anpassungsvarianz liegt über 0,99, was auf einen hohen Anpassungsgrad hinweist. Die Temperaturhysteresezeit an jeder Position ist in Tabelle 4 aufgeführt.

Aus Tabelle 4 ist ersichtlich, dass die Gesamthysteresezeit der Temperaturänderung bei unterschiedlichen Versenkungstiefen des Tunnels wie folgt ist: Mit zunehmender Versenkungstiefe des umgebenden Gesteins nimmt die Hysteresezeit der Temperaturänderung allmählich zu und es entsteht das Hysteresephänomen wird deutlicher. Die Hysteresezeit ist direkt proportional zur Versenkungstiefe des umgebenden Gesteins22.

Abbildung 10 zeigt die Variation der Temperatur des umgebenden Gesteins an verschiedenen Positionen des Querschnitts in einem Abstand von 1/60 von der Tunnelöffnung außerhalb des Tunnels.

Temperaturänderungen an verschiedenen Stellen der Tunnelquerstrecke. (a) Temperaturkonturkarte der Tunnelquerrichtung; (b) Temperaturvektorkarte der Tunnelquerrichtung.

Aus Abb. 10 geht hervor, dass bei gleicher Versenkungstiefe die Temperatur in der Mittellinie des Tunnels innerhalb eines Bereichs von 15 cm von der linken zur rechten Seite der Mittellinie am niedrigsten ist. Mit zunehmendem Abstand von der Mittellinie steigt die Temperatur allmählich an, und der maximale Temperaturunterschied zwischen der Mittellinie des Tunnels und den Positionen auf der linken und rechten Seite beträgt 2,0 °C. Von unterhalb des umgekehrten Tunnelbogens steigt der Temperaturwert mit zunehmender Versenkungstiefe des Temperatursensors allmählich an. Der Einfluss atmosphärischer Temperaturänderungen auf den Temperatursensor nimmt ab und auch die Auswirkungen auf das Temperaturfeld des umgebenden Gesteins im unteren Teil des Tunnels nehmen allmählich ab. Flach vergrabene Temperatursensoren reagieren empfindlicher auf äußere atmosphärische Veränderungen und werden stark von den Außentemperaturen beeinflusst.

Eine negative Temperaturverteilung wird im Bereich des 16/13-fachen der Versenkungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens bis zum umgekehrten Bogen beobachtet, während um den zentralen Entwässerungsgraben herum ein negativer Temperaturverteilungsbereich mit einem Temperaturbereich von etwa − 0,3 bis − festgestellt wird 0,8 °C und eine Mindesttemperatur von − 0,8 °C. Die Temperaturverteilung rund um den Anti-Kälte-Entwässerungstunnel zeigt eine positive Verteilung mit einem Temperaturschwankungsbereich von 1,9–3,5 °C, einer minimalen Temperatur von 1,9 °C und einem maximalen Temperaturunterschied von etwa 1,4 °C. Der Mindesttemperaturwert beträgt bei einer Tiefe von 5/13 des zentralen Entwässerungsgrabens − 1,8 °C, der Mindesttemperaturwert bei einer Tiefe von 10/13 des zentralen Entwässerungsgrabens beträgt − 1,2 °C und die Mindesttemperatur in einer Tiefe des 38/13-fachen des zentralen Entwässerungsgrabens beträgt 5,7 °C. Mit zunehmender Versenkungstiefe steigt der minimale Temperaturwert im umgebenden Gestein unter dem Tunnel allmählich an und die Temperatur wird zunehmend positiv. Je größer die Versenkungstiefe, desto näher nähert sich die Temperatur einem positiven Wert.

Um die Beziehung zwischen Temperatur und Gefrierzeit besser auszudrücken, wurde eine kubische Funktion zur Anpassung der Kurve verwendet. Die Anpassungsergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Gemäß den Parametern der Anpassungsgleichung in Tabelle 5 ist die Varianz der Kurvenanpassungsgleichung bei unterschiedlichen Versenkungstiefen größer als 0,99, was darauf hindeutet, dass die Anpassung der Temperatur-Gefrierzeit-Änderungskurve mit einer kubischen Funktion sinnvoll ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter den Isolationsbedingungen des umgekehrten Bogens, des zentralen Entwässerungsgrabens und des Anti-Kälte-Entwässerungstunnels ein Hysteresephänomen in der Temperaturänderungskurve mit der Gefrierzeit auftritt, das sich darin äußert, dass die Temperaturhysteresezeit mit zunehmender Temperatur allmählich zunimmt der Vergrabungstiefe, und das Phänomen der Temperaturhysterese wird deutlicher. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Temperaturhysteresezeit nur bei 5/13-facher Versenkungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens 0 beträgt. Nach Beginn des Gefrierens nimmt die Temperatur mit zunehmender Gefrierzeit schnell ab. Das Änderungsgesetz kann durch ein kubisches Polynom dargestellt werden. Im äußeren Abschnitt des Tunnels steigt die Temperatur auf beiden Seiten der Tunnelmittellinie mit zunehmendem Abstand von der Mittellinie und die Temperatur zeigt eine „V“-Form.

Die Abbildungen 11a–g zeigen jeweils die Temperaturverlaufskurven unterschiedlicher Versenkungstiefen im Tunnel mit zunehmender Tiefe.

Zusammenhang zwischen Querschnittstemperatur und Gefrierzeit am Standort des Tunnelportals. (a) 5/13 x; (b) 10/13 x; (c) 16/13 x; (d) 21/13 x; (e) 28/13 x; (f) 33/13 x; (g) 38/13 x.

Aus Abb. 11 ist ersichtlich, dass die Temperatur bei 1/60 der Tunneltiefe am niedrigsten ist. Mit abnehmender Tunneltiefe nehmen die Temperaturwerte an jeder Position allmählich ab, und die Gesamttemperaturänderung zeigt, dass der Temperaturwert mit zunehmender Tunneltiefe allmählich ansteigt. Der Einfluss kalter Luft auf verschiedene Sensoren in der Tiefe von 1/60 des Tunneleingangs ist relativ groß, und auch der Austausch von kalter und heißer Luft ist relativ groß. Daher ist die Temperatur am Tunneleingang relativ niedrig. Mit zunehmender Tunneltiefe steigt die Temperatur des umgebenden Gesteins im unteren Teil des Tunnels allmählich an. Die Temperatur ändert sich deutlich mit der Tunneltiefe von 1/60 bis 2/15 der Tunneltiefe. Mit zunehmender Tunneltiefe nimmt die Amplitude des Temperaturanstiegs allmählich ab. Wenn die Tunneltiefe im Bereich von 2/15–7/30 der Tunneltiefe liegt, nimmt die Amplitude des Temperaturanstiegs deutlich ab und die Gesamtänderung ist relativ sanft. Der maximale Temperaturunterschied zwischen den Messpunkten an derselben horizontalen Position wie die Tunneltiefe von 1/60 und die Tunneltiefe von 7/30 liegt im Bereich von 1,4–1,9 °C.

Aus Abb. 12a und e ist ersichtlich, dass die Temperaturänderungen entlang der axialen Richtung an 10-cm-Positionen auf beiden Seiten der Tunnelmittellinie ungefähr gleich sind. Von 7/30 Tunneltiefe bis zur Position in der Nähe des Tunneleingangs nehmen die Temperaturwerte bei unterschiedlichen Versenkungstiefen unterhalb des umgekehrten Bogens mit abnehmender Tunneltiefe ab, und der Temperaturwert ist bei 1/12 Tunneltiefe außerhalb des Tunneleingangs am niedrigsten. Um den zentralen Entwässerungsgraben außerhalb des Tunnels treten negative Temperaturen auf, während im Tiefenbereich des Tunnels positive Temperaturen auftreten. Aus Abb. 12b–d geht hervor, dass die Temperaturschwankung entlang der axialen Richtung an der Mittellinie des Tunnels und seinen 5-cm-Positionen auf beiden Seiten ungefähr wie folgt ist: von 7/30 Tunneltiefe bis 1/12 Tunneltiefe außerhalb des Tunnels, die Temperatur nimmt mit abnehmender Tunneltiefe ab. Die höchste Temperatur bei gleicher Versenkungstiefe tritt bei 7/30 Tunneltiefe auf, und die niedrigste Temperatur tritt bei 1/12 Tunneltiefe außerhalb des Tunnels auf. Es gibt eine negative Temperaturverteilung rund um den zentralen Entwässerungsgraben im Abstand von 5 cm auf beiden Seiten der Tunnelmittellinie, in den Bereichen mit negativer Temperaturverteilung treten jedoch geringfügige Unterschiede auf. Rund um den Anti-Kälte-Entwässerungstunnel herrscht keine negative Temperatur und alle Messpunkte zeigen positive Temperaturen. Das Temperaturschwankungsmuster zeigt, dass die Temperatur mit abnehmender Tiefe vom Tunnelinneren nach außen allmählich abnimmt.

Vektordiagramm der longitudinalen Temperaturänderungen an verschiedenen Stellen des Tunnels. (a) Vektorkarte der Temperaturschwankung bei 10 cm auf der linken Seite der Tunnelmittellinie; (b) Temperaturvariationsvektorkarte bei 5 cm auf der linken Seite der Tunnelmittellinie; (c) Vektorkarte der Temperaturänderungen an der Mittellinie des Tunnels; (d) Temperaturvariationsvektorkarte bei 5 cm auf der rechten Seite der Tunnelmittellinie; (e) Temperaturvariationsvektorkarte bei 10 cm auf der rechten Seite der Tunnelmittellinie.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nach der Isolierung des umgekehrten Bogens, des zentralen Entwässerungsgrabens und des Anti-Kälte-Entwässerungstunnels das allgemeine axiale Temperaturschwankungsmuster bei verschiedenen Versenkungstiefen wie folgt aussieht: Mit zunehmender Tunneltiefe steigt die Temperatur des umgebenden Gesteins im Unterboden Teil des Tunnels nimmt allmählich zu und die Temperaturänderungsamplitude nimmt mit zunehmender Tiefe allmählich ab. Nach dem Einbau der Isolierung herrschen im zentralen Entwässerungsgraben außerhalb des Tunnels nur in einem bestimmten Bereich Temperaturen unter 0 °C, während die Temperatur rund um den Anti-Kälte-Entwässerungstunnel während der gesamten Versuchsstrecke über 0 °C bleibt, was nicht der Fall ist Gefrierphänomen.

Der Artikel analysiert die Temperaturfeldverteilungseigenschaften des den Tunnel umgebenden Gesteins unter verschiedenen Methoden zur Anordnung der Isolierschichten für die Isolierschicht der Tunnelentwässerungsstruktur und kommt zu folgenden Schlussfolgerungen:

Im Frühstadium des Gefrierens nimmt die Temperatur des oberflächennahen umgebenden Gesteins mit zunehmender Gefrierzeit rasch ab. Mit zunehmender Versenkungstiefe kommt es an jedem Messpunkt zu einem erheblichen Verzögerungsphänomen bei der Temperaturänderung. Die Verzögerungszeit der Temperaturänderung nimmt allmählich zu. In einem gewissen Bereich rund um den zentralen Entwässerungsgraben treten immer noch Minustemperaturen auf. Kubisches Polynom der Temperaturschwankungskurve mit der Gefrierzeit. Im Längsschnitt steigt mit zunehmender Tunneltiefe die Temperatur des umgebenden Gesteins im unteren Teil des Tunnels allmählich an, und die Temperaturänderungsamplitude nimmt mit zunehmender Tiefe allmählich ab.

Bei gleicher Versenkungstiefe ist die Temperatur in der Nähe der Mittellinie relativ niedrig. Mit zunehmendem Abstand von der Mittellinie steigt der Temperaturwert allmählich an; Das Temperaturschwankungsmuster im Inneren des Tunnels unterscheidet sich von dem im Außenbereich. Die Temperatur in der Mittellinie des Tunnels ist niedriger als im Bereich von 10 cm auf beiden Seiten, am niedrigsten ist die Temperatur jedoch bei 15 cm auf beiden Seiten der Mittellinie.

Wenn sowohl der Anti-Kälte-Entwässerungstunnel als auch der zentrale Entwässerungsgraben mit Isolierschichten ausgestattet sind, treten außerhalb des Tunnels am zentralen Entwässerungsgraben nur innerhalb eines bestimmten Bereichs negative Temperaturen auf. Wenn die Dämmschicht jedoch nur im zentralen Entwässerungsgraben installiert wird, treten im Bereich des zentralen Entwässerungsgrabens erhebliche negative Temperaturen auf. Aufgrund des Abstands zwischen dem Kaltwasserentwässerungsstollen und dem umgebenden Gestein haben die beiden Anordnungsmethoden weniger Auswirkungen auf den Kaltwasserentwässerungsstollen. In der praktischen Technik sollte die Versenkungstiefe des zentralen Entwässerungsgrabens und des Anti-Kälte-Entwässerungstunnels vollständig berücksichtigt werden, und bei beiden sollte eine Isolierschichtbehandlung angewendet werden.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Inokuma, A. & Inano, S. Straßentunnel in Japan: Verschlechterung und Gegenmaßnahmen. Tunn. Undergr. Weltraumtechnologie. 11(3), 305–309 (1996).

Artikel Google Scholar

Okada, K. & Fujii, T. Verhinderung von Eiszapfen und Frost durch adiabatische Behandlung in bestehenden Tunneln. In Ground Freezing 97: Frost Action in Soils 461–467 (1997).

Sun, Z., Zhang, D., Fang, Q., Huangfu, N. & Chu, Z. Konvergenz-Einschlussanalyse für Tunnel mit kombiniertem Bolzen-Seil-System unter Berücksichtigung der Auswirkungen der mittleren Hauptspannung. Acta Geotech. 2022, 1–26 (2022).

Google Scholar

Sun, Z., Zhang, D., Fang, Q., Dui, G. & Chu, Z. Analytische Lösungen für tiefe Tunnel in dehnungserweichenden Gesteinen, modelliert durch verschiedene elastische Dehnungsdefinitionen mit der einheitlichen Festigkeitstheorie. Wissenschaft. China Technol. Wissenschaft. 65, 1–17 (2022).

Artikel ADS Google Scholar

Zhang, Y., Gehäusebolzen. Therm. Ing. 34, 102020 (2022).

Artikel Google Scholar

Tan, X. et al. Studie zum Einfluss des Luftstroms auf die Temperatur des umgebenden Gesteins in einem Tunnel in einer kalten Region und seine Anwendung auf die Gestaltung von Dämmschichten. Appl. Therm. Ing. 67(1–2), 320–334 (2014).

Artikel Google Scholar

Andrén, A., Dahlström, LO & Nordlund, E. Auswertung eines Labormodellversuchs unter Verwendung von Feldmessungen der Frosteindringung in Eisenbahntunneln. Kalte Regionen Sci. Technol. 204, 103660 (2022).

Artikel Google Scholar

Wu, H. et al. Experimentelle Untersuchung von Boden- und Lufttemperaturfeldern eines Straßentunnels in der kalten Region im Nordwesten Chinas. Adv. Zivil. Ing. 2020, 1–13 (2020).

CAS Google Scholar

Zeng, Y. et al. Analyse von Tunneltemperaturfeldern unter dem Kopplungseffekt von Konvektionsleitung in kalten Regionen. Appl. Therm. Ing. 120, 378–392 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Ma, DD et al. Auswirkungen der Härtungstemperatur auf die mechanischen Eigenschaften und die Porengrößenverteilung von durch Metakaolin und Basaltfasern modifiziertem Zementton. J. Bauen. Ing. 68, 106232 (2023).

Artikel Google Scholar

Liu, L., Li, Z., Liu, Tunn. Undergr. Weltraumtechnologie. 77, 261–279 (2018).

Artikel Google Scholar

Li, Z., Zhao, J., Liu, L. & Li, Z. Experimentelle Studie zum Gefrierfrontmodell eines Alpentunnels unter Windfeld. Appl. Wissenschaft. 13(2), 824 (2023).

Artikel CAS Google Scholar

Thomachot, C., Matsuoka, N., Kutchitsu, N. & Morii, M. Ausdehnung von Ziegeln, die Frost ausgesetzt sind: Felddaten und Laborexperimente. 1, 507–512 (2006).

Zhang, SL, Feng, QZ, Ying, GG & Zhang, DL Untersuchung der Ursachen von Leckagen in Autobahntunneln und Feldtest von neuem Entwässerungsmaterial. J. Highw. Transp. Res. Dev 10, 86–91 (2013).

Google Scholar

Kim, DG Langfristige Leistung des Entwässerungssystems zur Leckagebehandlung von Tunneln in kalten Regionen. J. Koreanischer Tunnel. Undergr. Weltraum-Assoc. 20(6), 1177–1192 (2018).

Google Scholar

Liu, HJ, Zheng, JY, Cheng, CG & Huang, LH Sanierungsprojekt des Dabanshan-Hochlandstraßentunnels. Chongqing Daxue Xuebao (Ziran Kexue Ban) 34, 12 (2011).

Google Scholar

Liu, S., Zhang, X., Chen, Prozesse 10(7), 1319 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Ji, Z., Lu, KC und Ma, CC-Klassifizierung, Ursachen von Tunnelfrostschäden in kalten Regionen und verschiedene neue Technologien zu deren Verhinderung. In Applied Mechanics and Materials Vol. 170 1504–1510 (Trans Tech Publications Ltd, 2012).

Lu, KC, Ma, CC, Ji, Z. & Xu, P. Isolierschicht im Tunnel im kalten Bereich abstreifen und Temperaturfeldanalyse durchführen. In Applied Mechanics and Materials Vol. 170 1679–1684 (Trans Tech Publications Ltd, 2012).

Luo, YB, Chen, JX und Chao, HL Abteilung für Frostschadensgrade und ihre Präventionsmaßnahmen im Tunnel. In Advanced Materials Research Vol. 535 1977–1984 (Trans Tech Publications Ltd, 2012).

Lai, JX, Gong, CB und Wang, YS Modellteststudie zum Isolator eines Tunnels in der kalten Region im Nordosten Chinas: Eine Fallstudie eines Gefängnistunnels. In Applied Mechanics and Materials Vol. 71 1870–1874 (Trans Tech Publications Ltd, 2011).

Jun, KJ, Hwang, YC & Yune, CY Feldmessung der Temperatur im Tunnel im Winter in Gangwon, Korea. Kaltreg. Wissenschaft. Technol. 143, 32–42 (2017).

Artikel Google Scholar

Shen, S., Xia, C., Huang, J. & Li, Y. Einfluss der saisonalen Schmelzschichttiefe auf die Stabilität des umgebenden Gesteins in Permafrostregionen basierend auf der Messung. Nat. Gefahren 75, 2545–2557 (2015).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Fakultät für Bauingenieurwesen, Shangqiu Institute of Technology, Shangqiu, 476000, China

Jinhuan Zhu, Xuelan Zhang und Lanjun Liu

School of Highway, Chang'an University, Xi'an, 710064, China

Lizhen Tan

Staatliches Schlüssellabor für Geomechanik und Tiefbautechnik, China University of Mining and Technology, Xuzhou, 221116, China

Lulu Liu

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JZ, LL und XZ haben den Haupttext des Manuskripts geschrieben und LT hat die Abbildungen vorbereitet. LL gegeben logische Analyse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Lulu Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhu, J., Zhang, X., Liu, L. et al. Änderung des Temperaturfeldes um verschiedene Entwässerungsstrukturen im Tunnel der kalten Region basierend auf Modellversuchen. Sci Rep 13, 13967 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41175-5

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Eingegangen: 18. Mai 2023

Angenommen: 23. August 2023

Veröffentlicht: 26. August 2023

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

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