Modification du champ de température autour de différentes structures de drainage dans un tunnel de région froide sur la base d'essais sur modèle

Jan 12, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13967 (2023) Citer cet article

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Une mauvaise disposition des structures de drainage et des mesures d'isolation inadéquates dans les tunnels froids peuvent entraîner la formation de givre à des degrés divers pendant l'exploitation. Cette étude se concentre sur l'exemple du tunnel routier de Hongtoushan, où les caractéristiques de distribution du champ de température autour de la structure de drainage inférieure sous différentes dispositions sont étudiées par le biais d'essais sur modèle intérieur. Les résultats indiquent qu'il existe un phénomène d'hystérésis significatif dans les changements de température dans la section transversale à mesure que la profondeur d'enfouissement augmente. Avec une augmentation de la profondeur d'enfouissement de la roche environnante, le temps d'hystérésis des changements de température s'allonge progressivement. Le modèle de variation de température peut être approximé par un polynôme cubique. Dans la section verticale, à mesure que la profondeur du tunnel augmente, la température de la roche environnante dans la partie inférieure du tunnel augmente progressivement tandis que l'amplitude du changement de température diminue. La température près de la ligne médiane est relativement plus basse que sur les côtés, où la température augmente progressivement en s’éloignant de la ligne médiane.

En raison du développement à grande échelle des infrastructures occidentales, les tunnels construits localement deviennent insuffisants pour répondre aux demandes régionales. En conséquence, des tunnels sont construits à des latitudes et à des altitudes plus élevées et dans des régions plus froides aux conditions naturelles extrêmement difficiles1,2,3. La construction de tunnels dans de telles zones entraîne des défis climatiques, géologiques, mécaniques et techniques plus complexes4. En outre, il est nécessaire de prendre en compte l'impact des grands froids sur la résistance au gel des structures de portail et des ouvrages de drainage, ainsi que sur la sécurité des tunnels en exploitation. En particulier, la construction de tunnels dans les régions froides doit prendre en compte une série de problèmes liés au froid, tels que le gel du drainage des tunnels et le soulèvement dû au gel des canalisations de drainage, qui sont des facteurs importants à l'origine des maladies des tunnels5. Ces problèmes doivent être résolus pour garantir l’exploitation sûre et efficace des tunnels dans ces régions.

Les problèmes courants dans les tunnels froids comprennent les fuites d’eau, les fissures du revêtement et les dommages causés par le gel et le dégel6,7. Parmi ceux-ci, les infiltrations d’eau et le gel-dégel peuvent avoir un impact significatif. En plus de prendre en compte les caractéristiques de construction des tunnels ordinaires, les tunnels froids sont confrontés au défi supplémentaire des dommages causés par le gel aux installations de drainage. Au cours des dernières décennies, la Chine a construit de nombreux tunnels froids. Grâce à des recherches sur place, il a été constaté qu'en raison des conditions météorologiques extrêmement difficiles et de l'emplacement déraisonnable des installations de drainage, environ 80 % des tunnels froids alpins présentent un certain degré de dégâts dus au gel. Cela affecte non seulement leur fonctionnement normal, mais provoque également des accidents de la route majeurs, posant des difficultés importantes pour la maintenance et la prévention ultérieures8,9,10. Par exemple, le tunnel Qidaoliang situé dans la province du Gansu et le tunnel Dabanshan situé dans la province du Qinghai en Chine ont connu diverses maladies telles que de graves fuites d'eau, des accrochages de glace et des fissures dans le revêtement pendant la saison froide sévère. Le gel du fossé de drainage rend problématique le drainage de la roche environnante et des eaux souterraines derrière le revêtement du tunnel, provoquant le gel et le soulèvement de la roche environnante, affectant sérieusement l'utilisation normale du tunnel et consommant une grande quantité d'actifs11,12. Selon de récentes enquêtes statistiques au Japon, près de 30 % des tunnels ferroviaires présentent un certain degré de dégâts dus au gel. Dans la région d'Hokkaido au Japon, le problème des dommages causés par le gel aux structures d'étanchéité et de drainage des grands tunnels routiers affecte gravement l'utilisation normale des tunnels13. Par conséquent, lors du processus de construction de tunnels dans les régions froides alpines, la résolution du problème de l'isolation du revêtement du tunnel et de la prévention du gel, ainsi que la mise en place d'un système d'étanchéité et de drainage raisonnable, sont essentielles pour éviter les dommages causés par le gel dans les tunnels.