Variazione del campo di temperatura attorno a diverse strutture di drenaggio nel tunnel della regione fredda sulla base di test su modello

Jan 12, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13967 (2023) Citare questo articolo

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Una disposizione non corretta delle strutture di drenaggio e misure di isolamento inadeguate nei tunnel freddi possono provocare diversi gradi di formazione di brina durante il funzionamento. Questo studio si concentra come esempio sul tunnel autostradale di Hongtoushan, dove le caratteristiche di distribuzione del campo di temperatura attorno alla struttura di drenaggio inferiore sotto diverse disposizioni vengono studiate attraverso test su modelli interni. I risultati indicano che esiste un significativo fenomeno di isteresi nei cambiamenti di temperatura attraverso la sezione trasversale all’aumentare della profondità di sepoltura. Con l'aumento della profondità di seppellimento della roccia circostante, il tempo di isteresi delle variazioni di temperatura si allunga gradualmente. Il modello di variazione della temperatura può essere approssimato da un polinomio cubico. Nella sezione verticale, all'aumentare della profondità del tunnel, la temperatura della roccia circostante nella parte inferiore del tunnel aumenta gradualmente mentre l'ampiezza della variazione di temperatura diminuisce. La temperatura vicino alla linea centrale è relativamente più bassa rispetto ai lati, dove la temperatura aumenta gradualmente allontanandosi dalla linea centrale.

A causa dello sviluppo su larga scala delle infrastrutture occidentali, i tunnel costruiti nelle aree locali stanno diventando insufficienti per soddisfare le richieste regionali. Di conseguenza, i tunnel vengono costruiti a latitudini e altitudini più elevate e in regioni più fredde con condizioni naturali estremamente difficili1,2,3. La costruzione di tunnel in tali aree comporta sfide climatiche, geologiche, meccaniche e tecniche più complesse4. Inoltre, è necessario considerare l'impatto del freddo intenso sulla resistenza al gelo delle strutture dei portali e degli impianti di drenaggio, nonché sulla sicurezza dei tunnel durante il funzionamento. In particolare, la costruzione di tunnel nelle regioni fredde deve tenere conto di una serie di problemi legati al freddo, come il congelamento del drenaggio del tunnel e il sollevamento da gelo delle tubazioni di drenaggio, che sono fattori significativi che causano malattie dei tunnel5. Questi problemi devono essere affrontati per garantire il funzionamento sicuro ed efficiente dei tunnel in tali regioni.

I problemi più comuni nei tunnel freddi comprendono perdite d'acqua, crepe nel rivestimento e danni dovuti al gelo-disgelo6,7. Tra questi, le infiltrazioni d’acqua e il gelo-disgelo possono avere un impatto significativo. Oltre a considerare le caratteristiche costruttive dei tunnel normali, i tunnel freddi affrontano l'ulteriore sfida dei danni causati dal gelo alle strutture di drenaggio. Negli ultimi decenni, la Cina ha costruito molti tunnel freddi. Attraverso ricerche in loco, è stato riscontrato che, a causa delle condizioni meteorologiche estremamente rigide e dell'irragionevole posizionamento degli impianti di drenaggio, circa l'80% dei tunnel freddi alpini presenta un certo grado di danni dovuti al gelo. Ciò non solo influisce sul loro normale funzionamento, ma provoca anche gravi incidenti stradali, ponendo notevoli difficoltà per la successiva manutenzione e prevenzione8,9,10. Ad esempio, il tunnel Qidaoliang situato nella provincia di Gansu e il tunnel Dabanshan situato nella provincia di Qinghai in Cina sono stati colpiti da varie malattie come gravi perdite d'acqua, ghiaccio sospeso e crepe nel rivestimento durante la stagione fredda. Il congelamento del canale di drenaggio rende problematico il drenaggio della roccia circostante e delle acque sotterranee dietro il rivestimento del tunnel, provocando il congelamento e il sollevamento della roccia circostante, compromettendo gravemente il normale utilizzo del tunnel e consumando una grande quantità di risorse11,12. Secondo recenti indagini statistiche in Giappone, quasi il 30% dei tunnel ferroviari presenta un certo grado di danni dovuti al gelo. Nella regione giapponese di Hokkaido, il problema dei danni dovuti al gelo delle strutture impermeabili e di drenaggio dei grandi tunnel autostradali compromette gravemente il normale utilizzo dei tunnel13. Pertanto, nel processo di costruzione di tunnel nelle regioni fredde alpine, la risoluzione del problema dell’isolamento del rivestimento del tunnel e della prevenzione del gelo, nonché la creazione di un ragionevole sistema di impermeabilizzazione e drenaggio, sono fondamentali per prevenire i danni dovuti al gelo del tunnel.