CN104502137A - 隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法，包括加压系统、模型箱及设置在模型箱内的隧道衬砌，所述加压系统为一榀钢框架加压系统，主要由边梁、顶部横梁及油缸组成，所述模型箱包括六块面板及传力板，底部设有滑轮；隧道衬砌设置在模型箱内；所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为水、油或润滑脂，所述模型箱为经过密闭处理的密封模型箱；通过改变传力介质并提升模型箱的密闭性，可实现衬砌背后近似均布加压、衬砌背后加载压力直接控制和大比例尺相似模型试验，可用于研究隧道衬砌承载性能与结构设计、运营中的病害隧道衬砌结构承载性能、衬砌裂缝扩展试验和大比例尺柔性加固(碳纤维、钢带)试验。

Description

隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法

技术领域

本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法。

背景技术

隧道承载性能试验是对隧道衬砌的承载性能进行测试和评价的过程。具体方法是以隧道衬砌及其周边3～5倍洞径的围岩作为研究对象，并置于长方形的模型箱中；以地应力作为边界压力在模型箱边界上加载，该压力首先作用于围岩上，围岩内产生的剪应力和各向异性正应力传递至隧道衬砌上，使其受载；通过逐级加载边界压力，直至隧道衬砌被破坏。

现有技术中的试验过程主要存在以下几点不足：

(1)围岩与衬砌共同受力：隧道衬砌的受力需通过围岩传递荷载，不能直接对隧道衬砌加载，难以直接研究隧道衬砌的自身承载性能；

(2)普通围岩所模拟的工程岩体为高摩擦、高黏聚力的材料，可传递量级与边界应力相当的剪应力，这种受力方式决定了传递到多心圆形式的隧道衬砌背后的压力都是非均布力，且量级明显小于边界上的加载应力，即存在应力打折现象；

(3)围岩属于高摩擦、岩石类弹塑性材料，进入高压阶段后，传递到隧道衬砌背后的压力是非可控的、是事先未知的，必须通过测试才能确知，且因压力的非均布性，无法准确评价隧道衬砌的整体承载性能及其整体刚度变化；

(4)采用不同的围岩材料时，同一种隧道衬砌内部产生的轴力和弯矩大小不同，产生的部位也不同，因此整体承载性能不一致，无法对运营中隧道衬砌的承载性能作出评价；

(5)由于需要考虑隧道衬砌周边3～5倍洞径范围内的围岩，所采用的相似比太小，一般为1:50～1:100，与原型结果相差较大；

(6)比例尺小，隧道衬砌相似模型跨度一般为0.4～0.6m，难以进行病害隧道衬砌加固试验，例如内贴弹纤维、内贴钢带等加固方法；难以进行试验现象观测，如裂缝扩展及其检测，从而无法科学评价运营中病害隧道衬砌经加固后的承载性能提升效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于隧道衬砌承载性能评估与加固试验，无需考虑围岩分担荷载条件下的隧道衬砌结构均布加载试验系统及其密闭方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种隧道衬砌结构均布加载试验系统，包括加压系统、模型箱及设置在模型箱内的隧道衬砌，所述加压系统为一榀钢框架加压系统，主要由边梁、顶部横梁及设置在边梁与顶部横梁上的油缸组成，所述模型箱主要由前板、后板、顶板、底板、左侧板、右侧板及传力板组成，所述传力板固定在前、后、顶、左侧及右侧板上并与油缸相对应，所述底板上设有滑轮；所述前板与后板上对应开设有隧道衬砌轮廓孔，所述隧道衬砌设置在轮廓孔内，所述轮廓孔底部设有支撑托板；所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为水、油或润滑脂，所述模型箱为经过密闭处理的密封模型箱。

进一步，所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为工业润滑脂，其相似黏度(-10℃，10S-1)≤600Pa·S，锥入度范围(0.1mm)为300～350，蒸发量(99℃，22h)≤0.32％，摩擦因数≤0.05。

进一步，所述模型箱的长度为400～450cm，宽度为240～270cm，高度为80～90cm；所述隧道衬砌跨度为120～135cm，高度为90～101cm，厚度为5～20cm。

进一步，所述模型箱上各缝隙间填充有沥青。

进一步，所述模型箱内贴有防水板。

进一步，所述模型箱内的顶板与底板上对应铺设有不透水粘土层，所述不透水粘土层厚度为9～11cm。

进一步，所述模型箱内贴有防水板，所述防水板与隧道衬砌间通过橡胶板连接，所述防水板、隧道衬砌及橡胶板间的接缝处灌注有沥青。

进一步，所述防水板为乙烯共聚物防水板或酸乙烯共聚物防水板或EVA防水板。

一种应用于隧道衬砌结构均布加载试验系统的密闭方法，其特征在于主要包括以下措施：

A.采用沥青密封焊接模型箱上各缝隙：

首先用热沥青封闭模型箱上六块面板间形成的缝隙，待箱体内充满填充材料并合盖后，再用热沥青封闭模型箱角点进行堵漏处理；

B.采用不透水防水板包裹模型箱：

首先依次搭接模型箱前板、后板、左侧板及右侧板的防水板，再搭接模型箱顶板与底板上的防水板；

防水板密贴在模型箱内侧，搭接长度不小于10cm，搭接处采用双缝热焊连接；

防水板的防水性能为：不透水压力≥0.3MPa，保持时间≥30min；

C.采用粘土对模型箱顶底进行铺垫：

首先在模型箱底部铺设一层不透水粘土层，铺设厚度为9～11cm，以盖住箱底角点及缝隙为准，待箱体内充满填充材料后，再在模型箱顶部铺设一层不透水粘土层，铺设厚度为9～11cm，以封住箱顶角点及缝隙为准；

D.密封模型箱与隧道衬砌间缝隙：

选定两块橡胶板，在各橡胶板上开设一个隧道衬砌轮廓槽，将防水板与隧道衬砌一起对应挤压进橡胶板上的隧道衬砌轮廓槽内，最后以热沥青封堵防水板、隧道衬砌与轮廓槽间的缝隙。

本发明的有益效果在于：

(1)改地层—结构受力模式为荷载—结构受力模式，不考虑围岩分担荷载，仅考虑隧道衬砌单独承载，实验结果更加精确可靠；

(2)通过一种低摩擦、低粘度软塑材料，其传递的剪应力与边界应力的量级相比，可近似忽略，从而可直接研究边界应力变化对隧道衬砌承载性能的影响，并且可将试验比例尺放大，既提高了试验检测精度，同时，大比例尺寸的试验系统有利于试验现象的观察；

(3)传递到隧道衬砌背后的压力为均布压力，可直接控制，便于评价隧道衬砌的整体承载性能及其整体刚度变化；

(4)同一种隧道衬砌内部产生的轴力和弯矩大小相同，整体承载性能一致；

(5)忽略了隧道衬砌周边3～5倍洞径范围内的围岩，可采用较大的相似比，承载性能试验模拟的结果与原型结果更接近；

(6)比例尺条件下，隧道衬砌相似模型的跨度可超过1m，该尺度下，可进行病害隧道二次衬砌加固试验，例如内贴弹纤维、内贴钢带等加固方法，可进行试验现象观测，如裂缝扩展及其检测。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的模型试验原理图；

图3为边界应力为30kpa时隧道衬砌的背后压力；

图4为边界应力为60kpa时隧道衬砌的背后压力；

图5为模型箱的结构示意图；

图6为沥青密封焊接模型箱的位置示意图；

图7为防水板热焊搭接位置示意图(1)；

图8为防水板热焊搭接位置示意图(2)；

图9为图8的A-A向剖视图；

图10为粘土铺设位置示意图；

图11为隧道衬砌与模型箱接缝位置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图所示，本实施例中的隧道衬砌结构均布加载试验系统，包括加压系统、模型箱及设置在模型箱内的隧道衬砌，所述加压系统为一榀钢框架加压系统，主要由边梁1、顶部横梁2及设置在边梁1与顶部横梁2上的油缸3组成，所述模型箱4主要由前板41、后板42、顶板43、底板44、左侧板45、右侧板46及传力板47组成，所述传力板47固定在前41、后42、顶43、左侧45及右侧板46上并与油缸3相对应，所述底板44上设有滑轮48；所述前板41与后板42上对应开设有隧道衬砌轮廓孔，所述隧道衬砌5设置在轮廓孔内，所述轮廓孔底部设有支撑托板6；所述模型箱4与隧道衬砌5之间的填充料为水、油或润滑脂，所述模型箱4为经过密闭处理的密封模型箱。本方案采用了液态传力介质，它不分担围岩压力，只进行压力传递；在加压系统作用下，可使边界上加载的正应力能直接传递到隧道衬砌结构上，实现了均布加压。

本实施例中，一榀钢框架加压系统采用Q345的钢板制作，油缸3为250吨的大吨位油缸，模型箱4侧板采用16mm的Q235钢板，底板44采用厚度为50mm的Q345钢板，底板44与滑轮48固结，便于模型箱4的移动；传力板47采用厚度20mm的Q345钢板制作，并采用米字形加强肋加固。整体结构稳固，各部分间通过螺栓连接紧固，组装方便。

具体的，本实施例中模型箱4与隧道衬砌5之间的填充料为工业润滑脂，其相似黏度(-10℃，10S-1)≤600Pa·S，锥入度范围(0.1mm)为300～350，蒸发量(99℃，22h)≤0.32％，摩擦因数≤0.05。该材料具有低摩擦、低粘度特性，具有润滑及密封作用，对试验系统的密闭性要求不高，极大的降低了设备的制作难度及成本投入。

具体的，本实施例中模型箱4长度为400～450cm，宽度为240～270cm，高度为80～90cm；所述隧道衬砌5跨度为120～135cm，高度为90～101cm，厚度为5～20cm。

根据相似理论，比例尺越大，试验模拟的结果与原型结果更接近，由于本实施例中采用了低摩擦、低粘度的工业润滑脂作为传力介质，故无需考虑围岩的分担外压力作用，可进行大比例尺的模型箱4设计，使承载性能试验模拟结果与原型结果更接近。另外，在该比例尺条件下，隧道衬砌5跨度大，隧道衬砌5相似模型的跨度超过1m，利于进行病害隧道二次衬砌加固试验，如内贴弹纤维、内贴钢带等加固方法，还可直接进行裂缝扩展等试验现象观测，操作简单，直观性好。

作为上述方案的进一步改进，本实施例中的模型箱4上各缝隙间填充有沥青，用于封堵缝隙，提高其密闭性。

作为上述方案的进一步改进，所述模型箱4内贴有防水板，即在模型箱4内部形成一个封闭的空间，可有效将工业润滑脂封闭在模型箱4内。

作为上述方案的进一步改进，所述模型箱4内的顶板43与底板44上对应铺设有不透水粘土层，可有效防止润滑脂被挤压出模型箱4；本实施例中的不透水粘土层厚度为9～11cm，当然，其铺设厚度可根据实际情况进行调整，具体以遮挡住角点及缝隙为准。

作为上述方案的进一步改进，所述模型箱4内贴有防水板7，所述防水板7与隧道衬砌5间通过橡胶板8连接，所述防水板7、隧道衬砌5及橡胶板8间的接缝处灌注有沥青，可有效防止润滑脂从隧道衬砌5与模型箱4的开孔位置处挤压溢出。

本实施例中的防水板为乙烯共聚物防水板或酸乙烯共聚物防水板或EVA防水板，防水效果好，材料易得。

以下将以实际参数说明本实验系统与现有系统相比其具有的特点及优越性。

实施例1：

根据相似理论，几何相似比取1:10，应力相似比也等于1:10。

边界压力：令模型箱垂直边界与水平边界上的加载应力相等，如图2所示，即σ1＝σ2＝30kPa(根据1:10的应力相似比，相当于原型300kPa，即约30m的水头高度或15～20m的填土高度对衬砌所产生的压力)。

隧道衬砌参数：跨度1.2m，高度0.9m，厚度5cm(按1:10的几何相似比取值，两车道隧道衬砌V级围岩原型厚度为50cm，跨度12m，高度9m)，弹性模量为2.95GPa(原型为C25混凝土，其弹性模量为29.5GPa)。

作为比较，模型箱与隧道衬砌之间的填充物选择了两种材料，一种是软塑的润滑脂，另一种是采用常规的粘土材料，其区别在于粘土材料为摩擦型材料，参数选择如下：

填充的润滑脂参数：摩擦因数tanφ＝0.05，粘度值c＝400Pa，体积模量1.6GPa，密度1000kg/m3；

填充的粘土参数：内摩擦角φ＝100，粘度值c＝8kPa，体积模量1.6GPa，密度1500kg/m3。

在上述条件下，两种填充材料所取得的隧道衬砌背后压力分布及其大小如图3所示，可知，填充润滑脂时，隧道衬砌周边基本均为均布压力，与边界压力相比，其最大非均匀率4％。而当填充粘土时，仅在隧道拱部近似均匀分布，隧道底部呈现较大的应力集中现象，非均匀率达124％，说明填充粘土达不到均匀加载的要求。

实施例2：

边界压力：令模型箱垂直边界与水平边界上的加载应力相等，即σ1＝σ2＝60kPa

其余条件与案例一完全相同。

两种填充材料所取得的隧道衬砌背后压力分布及其大小如图4所示。可知，填充润滑脂时，隧道衬砌周边基本均为均布压力，与边界压力相比，其最大非均匀率2.5％；而当填充粘土时，仅在隧道拱部近似均匀分布，隧道底部呈现较大的应力集中现象，非均匀率达175％，说明填充粘土达不到均匀加载的要求。

密封上述隧道衬砌结构均布加载试验系统中模型箱的方法，主要包括以下内容：

A.采用沥青密封焊接模型箱上各缝隙：

首先用热沥青封闭模型箱上六块面板间形成的缝隙，待箱体内充满填充材料并合盖后，再用热沥青封闭模型箱角点进行堵漏处理，如图6所示。

B.采用不透水防水板包裹模型箱：

首先依次搭接模型箱前板、后板、左侧板及右侧板的防水板，再搭接模型箱顶板与底板上的防水板；防水板密贴在模型箱内侧，搭接长度不小于10cm，搭接处采用双缝热焊连接；防水板的防水性能为：不透水压力≥0.3MPa，保持时间≥30min；如图7、图8所示，首先进行1、2、3、4号防水板的搭接，完成后在进行1、2、3、4号与5、6号防水板的搭接，包裹后的截面如图9所示。

C.采用粘土对模型箱顶底进行铺垫：

首先在模型箱底部铺设一层不透水粘土层，铺设厚度为9～11cm，以盖住箱底角点及缝隙为准，待箱体内充满填充材料后，再在模型箱顶部铺设一层不透水粘土层，铺设厚度为9～11cm，以封住箱顶角点及缝隙为准；如图10所示，首先在箱体底部铺设一层10cm厚的粘土，再填充220cm厚的润滑脂，最后在箱体顶部铺设10cm厚的粘土。

D.密封模型箱与隧道衬砌间缝隙：

选定两块橡胶板8，在各橡胶板8上开设一个隧道衬砌轮廓槽，将防水板7与隧道衬砌5一起对应挤压进橡胶板8上的隧道衬砌轮廓槽内，最后以热沥青封堵防水板7、隧道衬砌5与轮廓槽间的缝隙；如图11所示，橡胶板8上的隧道衬砌轮廓槽为半封闭式，装配时，隧道衬砌5挤压防水板7，两者整体嵌入橡胶板8的槽内，在槽周圈填充热沥青，可有效防止润滑脂从隧道衬砌5与模型箱4开孔位置挤压溢出。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种隧道衬砌结构均布加载试验系统，包括加压系统、模型箱及设置在模型箱内的隧道衬砌，其特征在于：所述加压系统为一榀钢框架加压系统，主要由边梁、顶部横梁及设置在边梁与顶部横梁上的油缸组成，所述模型箱主要由前板、后板、顶板、底板、左侧板、右侧板及传力板组成，所述传力板固定在前、后、顶、左侧及右侧板上并与油缸相对应，所述底板上设有滑轮；所述前板与后板上对应开设有隧道衬砌轮廓孔，所述隧道衬砌设置在轮廓孔内，所述轮廓孔底部设有支撑托板；所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为水、油或润滑脂，所述模型箱为经过密闭处理的密封模型箱。

2.根据权利要求1所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述模型箱与隧道衬砌之间的填充料为工业润滑脂，其相似黏度(-10℃，10S-1)≤600Pa·S，锥入度范围(0.1mm)为300～350，蒸发量(99℃，22h)≤0.32％，摩擦因数≤0.05。

3.根据权利要求2所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述模型箱的长度为400～450cm，宽度为240～270cm，高度为80～90cm；所述隧道衬砌跨度为120～135cm，高度为90～101cm，厚度为5～20cm。

4.根据权利要求2所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述模型箱上各缝隙间填充有沥青。

5.根据权利要求2所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述模型箱内贴有防水板。

6.根据权利要求2所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述模型箱内的顶板与底板上对应铺设有不透水粘土层，所述不透水粘土层厚度为9～11cm。

7.根据权利要求2所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述模型箱内贴有防水板，所述防水板与隧道衬砌间通过橡胶板连接，所述防水板、隧道衬砌及橡胶板间的接缝处灌注有沥青。

8.根据权利要求5或7所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统，其特征在于：所述防水板为乙烯共聚物防水板或酸乙烯共聚物防水板或EVA防水板。

9.一种应用于如权利要求1～8任一项所述的隧道衬砌结构均布加载试验系统的密闭方法，

其特征在于主要包括以下措施：

A.采用沥青密封焊接模型箱上各缝隙：

首先用热沥青封闭模型箱上六块面板间形成的缝隙，待箱体内充满填充材料并合盖后，

再用热沥青封闭模型箱角点进行堵漏处理；

B.采用不透水防水板包裹模型箱：

首先依次搭接模型箱前板、后板、左侧板及右侧板的防水板，再搭接模型箱顶板与底板上的防水板；

防水板密贴在模型箱内侧，搭接长度不小于10cm，搭接处采用双缝热焊连接；

防水板的防水性能为：不透水压力≥0.3MPa，保持时间≥30min；

C.采用粘土对模型箱顶底进行铺垫：

首先在模型箱底部铺设一层不透水粘土层，铺设厚度为9～11cm，以盖住箱底角点及缝隙为准，待箱体内充满填充材料后，再在模型箱顶部铺设一层不透水粘土层，铺设厚度为9～11cm，以封住箱顶角点及缝隙为准；

D.密封模型箱与隧道衬砌间缝隙：

选定两块橡胶板，在各橡胶板上开设一个隧道衬砌轮廓槽，将防水板与隧道衬砌一起对应挤压进橡胶板上的隧道衬砌轮廓槽内，最后以热沥青封堵防水板、隧道衬砌与轮廓槽间的缝隙。