Estudio sobre el modo de drenaje y anti

Jul 14, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5354 (2023) Citar este artículo

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Con el 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 precipitaciones, y con frecuencia ocurren desastres como grietas en el revestimiento de los túneles, fugas e incluso colapsos. Para garantizar la seguridad en la operación y mantenimiento 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 concha convexa entre el panel impermeable y el revestimiento secundario. La investigación muestra que el nuevo sistema de drenaje reduce considerablemente la presión del agua en el área de la estructura de drenaje que se bloquea fácilmente. 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 de la presión de apoyo, la capacidad de drenaje disminuye; el geotextil es el que más disminuye, seguido por el tablero de drenaje capilar y luego el tablero de drenaje de concha convexa. Al mismo tiempo, después de la prueba de drenaje de agua fangosa de los tres materiales, se encuentra que la placa de drenaje tipo carcasa convexa tiene el mejor rendimiento anti-lodos. La investigación en este artículo proporciona un intento beneficioso para el diseño de la estructura de impermeabilización y drenaje 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 provocará corrosión del revestimiento, corrosión de las vías y de 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. En el ferrocarril Kunming-Nanjiang y en otros lugares se han producido deformaciones del arco invertido y daños causados ​​por la alta presión del agua, lo que ha provocado graves pérdidas económicas. Ya sea considerando el proceso de construcción u operación, el tratamiento del agua subterránea de los túneles es una de las cuestiones más importantes para la seguridad estructural en zonas kársticas. Un gran número de académicos han realizado investigaciones relevantes sobre este tema.

En términos de cálculos teóricos, se obtuvo la distribución del campo de fugas en un túnel de alta caída 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 inyección y el revestimiento como un sistema completo), se derivó la ecuación de presión del agua del campo de filtración2. Comparó varias soluciones analíticas y numéricas y demostró la confiabilidad de la solución analítica3. Propuso un método de análisis semiteórico para calcular la filtración4. A través de análisis teóricos, pruebas en interiores y mediciones de campo, se propuso la forma estructural y el esquema de drenaje controlable adecuado 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 utilizando 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 del arco invertido era alta. Para los túneles kársticos ricos en agua, el centro del arco invertido era fácil de agrietar cuando se usaba el modo semienvolvente y semidrenante7. Estudió la ley de evolución de la presión del agua del revestimiento bajo la acción de la presión dinámica del agua, 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 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 principal causa de los desastres por presión de 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. Con base en el método de transformación conforme, se derivó la fórmula de cálculo de la presión del agua en el revestimiento de un túnel circular en estado de filtración estacionaria12,13,14. Establecí la solución analítica del flujo de agua para la filtración estable de un túnel circular bajo un coeficiente de permeabilidad isotrópico. En cuanto a los materiales15, estudiaron el comportamiento 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. Materiales compuestos impermeables y de drenaje desarrollados18,19. Introdujeron un nuevo tipo de material impermeabilizante líquido (un tipo cristalino permeable en base agua) y analizaron las diferencias entre la combinación de este material con el hormigón proyectado y el hormigón de encofrado, desde una perspectiva microscópica. Los paneles de impermeabilización y drenaje capilares y convexos son materiales de drenaje relativamente nuevos20. Se estudió la influencia del tablero de drenaje capilar en la capacidad de drenaje de suelos arenosos mediante la realización de pruebas de drenaje interior y el establecimiento de un ángulo para estudiar su comportamiento anti-sedimentación. Los resultados muestran que se recomienda que el rango de valores del ángulo de la correa de drenaje capilar que se encuentra sobre la subrasante, la pendiente y otras estructuras sea de 10° a 15°21. Realicé pruebas de resistencia a la presión del agua y durabilidad en cinco barreras de agua diferentes y las apliqué en el sistema impermeable del túnel Gongbei. En términos de optimización estructural22, propuso un concepto de diseño de impermeabilización y drenaje adecuado para el túnel East Tianshan: 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 una obstrucción de una 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 triple optimización propuestas de la estructura y los resultados de la investigación desempeñarán un importante papel rector en el diseño, construcción y mantenimiento de los sistemas de drenaje de túneles de carreteras en China25. Desarrolló un modelo de filtración de drenaje compuesto por 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 eficientemente el agua acumulada en el fondo del túnel y lograr el objetivo de reducir la presión del agua28. Se estudió la distribución de la presión del agua detrás del revestimiento bajo diferentes formas de impermeabilización y drenaje, y se propuso el plan de distribución óptimo del panel impermeable29. Propuso un nuevo concepto para controlar activamente el diseño de impermeabilización y drenaje ajustando la resistencia y permeabilidad de la roca circundante, el anillo de refuerzo y la estructura de soporte inicial. Para reducir activa y razonablemente la presión del agua en el túnel30, se propuso un sistema de drenaje especialmente diseñado con antibloqueo y liberación automática de la presión del agua31.

La investigación anterior demostró que el esquema de drenaje convencional no puede resolver el problema de las 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 externa del agua del revestimiento del túnel, la predicción del flujo de 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, hay pocos informes sobre la distribución de la presión del agua entre tuberías circulares ciegas, el efecto de drenaje de la tubería ciega no circular + tableros de impermeabilización y drenaje de carcasa convexa, o el efecto de los bloqueos locales sobre la presión externa del agua de los revestimientos de los túneles. Por lo tanto, este artículo propone un sistema de impermeabilización y drenaje con tablero impermeabilizante de carcasa convexa en lugar de tubería ciega circular, y estudia el efecto de drenaje de la nueva estructura de impermeabilización y drenaje mediante 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 que cumple en cierta medida una función impermeabilizante. El agua que se filtra desde la superficie del soporte inicial es recogida por el tubo ciego y evacuada por el desagüe central. La placa impermeable y la tira de sellado evitan que el agua subterránea erosione el revestimiento.

El sistema antidrenaje tradicional se muestra en la Fig. 1. El soporte inicial actúa como primera capa de impermeabilización frente al agua subterránea. Cuando el agua se filtra desde la superficie del soporte inicial, la tubería de drenaje ciego recogerá y transportará el agua filtrada al drenaje central para su descarga. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 1b,c, durante la operación del túnel, las partículas de tierra y los cristales químicos provocarán el bloqueo de la tubería de drenaje ciega. La presión del agua en el área bloqueada aumentará bruscamente, lo que puede provocar el agrietamiento del revestimiento debido al aumento de la presión del agua; el sistema de drenaje del túnel quedará paralizado y la operación del túnel se verá afectada. Como puede verse en la Fig. 1b, la tubería de drenaje ciega 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 provocará un aumento de la presión del agua detrás del revestimiento, lo que también provocará grietas en el revestimiento y, finalmente, fugas en el túnel. Además, también existen mayores requisitos para el personal de construcción; Si la construcción no es adecuada, el tablero impermeable se romperá fácilmente. En resumen, con la operación a largo plazo del túnel, el sistema de drenaje envejece gradualmente, provocando fugas en el túnel, grietas en el revestimiento y otros problemas.

El diagrama del deterioro del túnel. (a) Flujo de agua en el túnel; b) Posibles causas de deterioro; (c) Fuga por 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 Fig. 2b es el diagrama de drenaje en sección transversal del nuevo sistema de drenaje. El tablero antidrenaje de carcasa convexa tiene la función de drenaje de sección completa. La carcasa 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 concentrado de tubería ciega circular y distribución desigual de la presión del agua en la parte superior de del 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 equivalente de la tubería del canal antidrenaje de la carcasa por metro cuadrado del túnel longitudinal, que se puede calcular de acuerdo con la ecuación. (1):

donde D0 es el diámetro equivalente de la tubería por metro lineal de paso de agua del panel impermeabilizante de carcasa convexa, m; H es la altura del casco convexo, m; D es la separación inferior de la cubierta convexa, m; L1 es el diámetro de la superficie inferior de la carcasa convexa, m; L2 es el diámetro de la superficie superior de la cáscara convexa, m; ε es la tasa de deformación por compresión de la placa impermeable de la carcasa convexa bajo presión.

Diagrama esquemático de la sección del tablero impermeable de carcasa 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 de Xie Cai. Según la ecuación. (3), se puede obtener que:

En la ecuación. (3), n es la rugosidad, dependiendo del grado de suavidad de la pared.

Cuando la altura del casco convexo es de 1 cm, la tasa de deformación por compresión es 0; el espaciado 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, de acuerdo con la ecuación. (1), el diámetro equivalente de la tubería es 7,389 cm y el área de la tubería es 42,86 cm2.

Se sabe que el diámetro de la tubería de drenaje circunferencial del túnel Tiegalishan es de 5 cm, la separación de la tubería ciega circunferencial es de 5 m y el área de desarrollo kárstico y de aguas subterráneas está cifrada en 2 m, suponiendo 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 ecuaciones. (1), (2) y (3), como sigue:

donde α es la relación de caudal entre el tubo de drenaje anular y el tubo de drenaje anular con la placa impermeable de carcasa convexa en el espacio de disposición; d es el espaciamiento de disposición del tubo de drenaje circunferencial; y Dh es el diámetro de la tubería de drenaje circunferencial, m. Si el diámetro equivalente de la tubería es de 7,389 cm y el diámetro anular de la tubería de drenaje es de 5 cm, la relación entre la relación de flujo y la disposición del espaciado 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 ruta de flujo y gradiente hidráulico, la relación de flujo mantiene un aumento lineal con el aumento del diseño del espaciado de la tubería de drenaje anular. Se puede ver en la Fig. 4b que, con un aumento del diámetro anular del tubo de drenaje, la relación de flujo sigue disminuyendo, pero la tendencia a la baja sigue disminuyendo. Cuando el diámetro equivalente de la tubería por metro de placa de carcasa impermeable es de 7,389 cm, el diámetro de la tubería del desagüe circunferencial es de 5 cm y la separación entre el desagüe circunferencial es de 2 m; la proporción de exceso de agua es 5,66. Cuando la disposición del espaciamiento anular de las tuberías 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 disposición del espaciado del tubo de drenaje circunferencial es de 5 my el diámetro del tubo de drenaje circunferencial es de 5 cm; la relación de flujo es 14,16. Cuando el diámetro del tubo de drenaje anular es de 10 cm, la proporción de exceso de agua es 2,23. Según los datos anteriores, el rendimiento de drenaje de la placa de drenaje de concha convexa es mejor que el del tubo de drenaje anular.

Para estudiar la ley de distribución de la presión del agua después del revestimiento del nuevo sistema de drenaje y del tradicional sistema de drenaje circular ciego, se aplicó la ley cambiante de la presión del agua, después del revestimiento a diferentes distancias de taponamiento, utilizando el software ABAQUS para simulación numérica en un Sistema antidrenaje tradicional. El tablero impermeable y el geotextil se establecieron como capa antidrenaje, que desempeñó el papel de "impermeable" y "drenaje" 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 conducción de agua se configura 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 carcasa 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 desde 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 fue de 40 m a lo largo del eje del túnel y el tamaño del modelo fue 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 inyección; se adoptó un modelo constitutivo de More-Coulomb para el modelo mecánico; el modelo de filtración isotrópica fue adoptado en el modelo de fluidos; se utilizó un elemento sólido para simular el revestimiento, la capa filtrante 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 fluidos; 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 reequilibra 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 del revestimiento del túnel. La Figura 6 muestra el diagrama de nube de presión de agua externa del revestimiento de los modos de drenaje tradicional y nuevo, luego de la excavación y estabilidad de la filtración.

Estudio de distribución de presiones 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. Por el contrario, la zona sin tubería de drenaje ciega 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 hasta 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.

En la Fig. 7, la presión del agua del arco y la bóveda en el nuevo modo de drenaje se mantiene aproximadamente en 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 máxima del agua en la cintura del arco y la línea de observación de la bóveda es de 1.025 MPa y 1.014 MPa, respectivamente. La presión máxima del agua del nuevo modelo de drenaje se reduce en un 80,29% y un 78,90%, respecto al modelo de drenaje tradicional.

Para 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. En la Fig. 8 se muestra el diagrama de nubes de la distribución de la presión del agua externa del revestimiento del nuevo sistema de impermeabilización y drenaje. A medida que aumentaba la longitud del bloqueo, la presión del agua en el área del bloqueo aumentaba continuamente. Cuando la longitud del bloqueo era de 2 a 6 m, la presión máxima del agua en el área del bloqueo apareció cerca del punto medio. No hubo ningún fenómeno de difusión evidente en el rango de influencia de la presión del agua a lo largo de la circunferencia. Cuando la longitud del 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 no bloqueada en la parte superior del túnel. En la Fig. 9 se muestra el diagrama de nubes de la presión externa del agua del revestimiento bajo diferentes longitudes de obturación del sistema de drenaje tradicional. Con el aumento de la distancia de obstrucción, la presión del agua en el área de obstrucción continuó 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 obstruido, falla el tubo de drenaje ciego circunferencial en la zona de obstrucción.

Gráfico de nubes de la presión externa del agua del revestimiento bajo diferentes longitudes de bloqueo en un lado.

Diagrama de nube de presión de agua externa de 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 my 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 0,776 MPa, 0,930 MPa, 0,993 MPa y 1,030 MPa. Esto muestra que cuanto más larga sea el área bloqueada del sistema de drenaje, mayor será la presión del agua en el área bloqueada, pero la tendencia de crecimiento se desacelera. La presión del agua fuera del revestimiento, lejos de la zona bloqueada, volverá gradualmente a niveles normales, pero el sistema de drenaje tradicional sólo disminuirá lentamente, mientras que el nuevo sistema de drenaje (debido a su modelo especial de descarga superficial) no depende del sistema circular ciego. tubería de drenaje, por lo que la presión del agua disminuirá rápidamente alrededor del área bloqueada. También se considera que el rango de influencia del bloqueo local sobre la presión del agua del revestimiento del sistema de drenaje tradicional es mayor que el del nuevo sistema de drenaje. La influencia del bloqueo local del nuevo sistema de drenaje y del 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 obstrucción, se muestra en la Fig. 11. Para el sistema de drenaje tradicional, la presión del agua de la corona en el área de obstrucción aumenta gradualmente con el aumento de la longitud del área de obstrucción. , desde 0,46 MPa (cuando la longitud de enchufe es de 2 m) hasta 0,54 MPa (cuando la longitud de enchufe es de 8 m). El ámbito de influencia se produce principalmente entre los tubos circunferenciales ciegos a ambos lados de la zona de obstrucción, mientras que, en el nuevo sistema de drenaje, cuando se produce una obstrucción 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 promedio del agua es de aproximadamente 0,243 MPa. Cuando la longitud del bloqueo es de 8 m, la presión promedio 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 del 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 área fallará y su presión de agua aumentará hasta la presión máxima de agua en el área media de las dos tuberías ciegas, en condiciones normales de drenaje. En el nuevo sistema de drenaje se puede observar que la presión del agua en la zona del bloqueo aumenta considerablemente. Cuando la longitud de obstrucción es de 2 a 6 m, muestra un único pico (0,744 MPa, 0,897 MPa y 0,942 MPa, respectivamente). Cuando la longitud de obstrucción es de 8 m, hay dos picos y la presión en el punto medio del área de obstrucción 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, el rango de influencia del área bloqueada se reduce considerablemente, que se limita al área bloqueada. En la periferia del área bloqueada, debido al exclusivo modo de "descarga superficial" del nuevo sistema de drenaje, el flujo de agua puede recogerse en la tubería de drenaje longitudinal a través del espacio tridimensional entre el panel impermeable y el soporte inicial. El modo tradicional de drenaje de tubería circunferencial ciega se basa principalmente en la tubería circunferencial ciega a una cierta distancia para recolectar agua. Una vez que la tubería de drenaje ciega está bloqueada, significa que la separación de la disposición de la tubería ciega en el área bloqueada aumenta exponencialmente.

Comparación de la presión del agua en la cintura bajo diferentes distancias de bloqueo.

El comportamiento del material de drenaje incide directamente en el normal funcionamiento del túnel. La investigación existente muestra que la altura del nivel del agua subterránea en el túnel aumenta con una disminución en el rendimiento de drenaje del túnel, lo que hará que la estructura del revestimiento del túnel soporte una carga más significativa. Para considerar verdaderamente las condiciones reales de servicio de los paneles de drenaje en túneles y verificar la confiabilidad de la simulación numérica, basándose en 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, tablero de drenaje de concha y tablero de drenaje capilar. El geotextil se suele utilizar como cojín de drenaje en túneles. Se utiliza como capa amortiguadora para proteger la placa impermeable; además tiene una capacidad específica para el guiado, filtrado 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 principalmente de polietileno de alta densidad, con conchas convexas cerradas en la superficie, generalmente de forma redonda o semiesférica. Cuando la placa impermeable de la carcasa convexa se fija a la superficie del soporte inicial, la carcasa convexa puede proporcionar una cierta altura de soporte y formar una lámina de paso de agua, como se muestra en la Fig. 13.

El tablero de drenaje capilar está hecho principalmente de PVC. Bajo la acción de "gravedad y fuerza capilar", el flujo de agua es aspirado nuevamente hacia la ranura del orificio 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. Se suelen utilizar 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 amortiguación, guía de agua, filtrado de agua y drenaje.

Diagrama esquemático del paso de agua de la placa de drenaje de concha convexa.

En la actualidad, las pruebas de rendimiento de drenaje de geosintéticos se llevan a cabo principalmente de acuerdo con los instrumentos y métodos indicados en los 'Procedimientos de prueba para materiales sintéticos civiles de ingeniería de carreteras' (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 el estado 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. Esto 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 de los cuales se pueden realizar la prueba de capacidad de drenaje y la prueba de capacidad antibloqueo, ver Fig. 14.

Dispositivo de prueba de rendimiento de paso del agua.

El tanque de almacenamiento de agua está compuesto por una placa de acero con un espesor de 10 mm y unas 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, hay un puerto de inyección de agua con un tamaño de apertura de 50 mm, a través de una conexión con la tubería de transmisión de agua, que proporciona la altura 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 el fondo de los tanques de agua permite su fácil limpieza 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 del agua requerida para la prueba excede el valor máximo que el tanque de agua puede proporcionar, el dispositivo de carga de presión de agua proporciona la presión de agua requerida. Para la carga de presión normal sobre materiales de drenaje geotextiles, de acuerdo con los 'Procedimientos de prueba para geosintéticos' (SL235-2012), se utiliza el método de placa de carga para la presurización; el sistema de prueba mecánica RMT-301 proporcionó el dispositivo de carga de presión de contacto. Para garantizar que la fuerza de la muestra fuera uniforme y que el área de actuación cumpliera los requisitos, se colocaron dos almohadillas rígidas (de dimensiones 25 × 25 cm, es decir, un poco más grandes que el tamaño de la pieza de prueba) en la plataforma de carga para simular la Presión de soporte de dos capas sobre 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 se ensambla en un conjunto de rendimiento de drenaje funcional, razonable y factible. dispositivos de prueba.

Probar el rendimiento de drenaje de los materiales de drenaje geotextiles en diferentes condiciones de trabajo, incluida la capacidad de drenaje y la capacidad anti-sedimentación, de modo que los resultados de las pruebas 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 gradientes hidráulicos de 0,1 y 1,0. Combinado con la profundidad del túnel y las condiciones hidrogeológicas, la presión máxima del agua de la prueba se estableció en 100 kPa, y la presión del agua se estableció 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 ferroviarios y de carreteras 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 presiones de agua y soporte. 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 se sature. 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 drenar 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 minutos, 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 del agua durante 15 minutos y registrando cuando el drenaje es estable. Se registra el agua desplazada por la probeta en 15 minutos y se realizan tres grupos de pruebas en las mismas condiciones de trabajo. El valor promedio de los datos se toma como datos de prueba en estas condiciones de trabajo.

Durante la prueba de capacidad anti-sedimentación, el agua de prueba se reemplaza por agua turbia, preparada con 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 sedimentos en el agua turbia 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 utilizan como indicadores para evaluar la capacidad de los materiales de drenaje geotécnico.

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 en unidad de tiempo; \(v_{n}\) es el cambio de volumen de agua en el enésimo tanque colector de agua; \(t_{n + 1}\) es la hora de finalización de la enésima adquisición; y \(t_{n}\) es la enésima hora 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 carcasa convexa, se concluyó que, cuando la presión del agua es superior a 1 kPa, el caudal ha excedido el volumen máximo de entrada. 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. Puede verse que, en 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, el caudal por unidad de tiempo disminuye de 620,7 a 565,8 cm3/s. El rendimiento del drenaje disminuyó 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 rendimiento de drenaje disminuye 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 un 56,3%. Se puede observar que la capacidad de drenaje del geotextil se ve 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 deformación, y la tasa de reducción del flujo no es lineal. Cuando las presiones de contacto aumentan de 50 a 200 kPa, el caudal por unidad de tiempo disminuye rápidamente. Cuando las presiones de contacto aumentan de 200 a 500 kPa, la tasa de reducción del flujo en unidad de tiempo es limitada.

Variación del flujo bajo diferentes presiones de contacto.

La descarga de agua de la placa de drenaje capilar, la placa de drenaje de concha 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 del flujo bajo diferentes presiones de agua.

Para garantizar un 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 precipitación de carbonato de calcio, que puede bloquear las tuberías de drenaje. Esto puede provocar un aumento de la presión del agua en el revestimiento, que luego puede agrietarse. Con el tiempo, las grietas continúan aumentando, lo que provoca 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 de geotextiles, tableros de drenaje capilares y tableros de drenaje de concha convexa, se adopta una prueba de agua fangosa y la tasa de cambio de drenaje (en unidad de tiempo) se muestra en la Fig. 17.

Curva de cambio de flujo.

Como puede verse en la Fig. 18, la capacidad de drenaje de la placa de drenaje de concha 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 sólo de aproximadamente el 50% después de 25 pruebas. Durante la prueba, el drenaje de la placa de drenaje capilar es claro pero el drenaje de la placa de drenaje de la capa convexa es turbio. Después de la prueba, el sedimento en el tanque colector 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.

Material display anti-sedimentación.

Al finalizar la prueba, el tanque de recolección de agua y la muestra fueron secos 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 sedimento en el tanque alcanzó 362,7 g y la acumulación de sedimento en la superficie del material alcanzó 18,3 g. Esto se debe a que, bajo el mismo gradiente de carga de agua, la descarga del tablero de drenaje de la cáscara 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, provocando la deposición de partículas. El tablero de drenaje de concha 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 son adsorbidas en los poros, lo que conduce a 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 entren partículas gruesas en la placa de drenaje y solo el flujo de agua y una pequeña cantidad de partículas finas ingresan al canal de drenaje dentro de la placa de drenaje. Sin embargo, esto también hará que se depositen gradualmente partículas gruesas en el extremo 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 en profundidad de la literatura nacional y extranjera, y una combinación exhaustiva de análisis teórico, simulación numérica y experimentos en interiores, las características de distribución de la presión externa del agua 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 media de las dos tuberías de drenaje es grande, lo que muestra una distribución de presión de 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 de agua superior del nuevo sistema de drenaje se reduce en un 80,29% y un 78,90%, respectivamente, en comparación con la presión de agua máxima del arco tradicional de cintura y arco de corona.

Según los resultados del cálculo numérico, la presión del agua en el área de obstrucción 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 my 8 m, respectivamente (debido a su modelo especial de drenaje superficial), la presión externa del agua del revestimiento lejos del área de bloqueo del nuevo sistema de drenaje disminuirá gradualmente hasta niveles normales. El sistema de drenaje tradicional retrocederá lentamente y la presión circunferencial máxima del agua del nuevo sistema de drenaje será de 0,776 MPa, 0,930 MPa, 0,993 MPa y 1,030 MPa. La presión circunferencial máxima del agua del sistema de drenaje tradicional es de 1,03 MPa, 1,06 MPa, 1,07 MPa y 1,10 MPa, respectivamente. La presión promedio del agua en la corona del arco del nuevo sistema de drenaje es de 0,24 MPa, la presión promedio del agua en la cintura del arco es de 0,873 MPa, la presión promedio del agua en la corona del arco del sistema de drenaje tradicional es de 0,53 MPa y la presión promedio del agua en la corona del arco del nuevo sistema de drenaje es de 0,24 MPa. La presión en el arco de la cintura 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 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 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 efectiva 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 del tablero de drenaje de concha convexa disminuyó del 99 al 94%: una disminución del 5%. La capacidad de drenaje del tablero 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 concha convexa, las partículas gruesas y finas ingresarán al sistema de drenaje más fácilmente bajo la acción del flujo de agua, lo que resultará en la sedimentación de las partículas. Durante el proceso de drenaje a largo plazo del geotextil, las partículas finas ingresan muy fácilmente al geotextil y son adsorbidas en los poros, lo que conduce a una disminución continua del drenaje en el geotextil con el tiempo. En la placa de drenaje capilar, el ancho de la ranura capilar es de sólo 0,3 mm, por lo que las partículas gruesas no pueden entrar en el 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 provocará que las partículas gruesas obstruyan gradualmente el extremo de la placa de drenaje, lo que reducirá el área de descarga de agua en el extremo de la placa de drenaje capilar, como se demuestra 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), el Proyecto de Investigación Básica de la Provincia de Guizhou ([2020]1Y250), el Proyecto de Crecimiento del Talento de Ciencia y Tecnología para Jóvenes de Colegios y Universidades Ordinarios de la Provincia de Guizhou ( [2021]101), (Tecnología de construcción de China) Soporte Qiankehe [2021] General 311.

Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Guizhou, Guiyang, 550025, China

Cong Zhang, Ning Liu, Kun Chen y FangZhou Ren

Laboratorio provincial clave de mecánica de rocas y suelos y seguridad de ingeniería de Guizhou, Guiyang, 550025, China

Cong Zhang, Ning Liu, Kun Chen y FangZhou Ren

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Correspondencia a Ning Liu.

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Zhang, C., Liu, N., Chen, K. et al. Estudio sobre el modo de drenaje y comportamiento antiobstrucción de un nuevo sistema de impermeabilización y drenaje en un túnel. Representante científico 13, 5354 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9

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Recibido: 12 de diciembre de 2022

Aceptado: 29 de marzo de 2023

Publicado: 01 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32590-9

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