CN105673049A - 一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置及方法，该装置在隧道衬砌内侧安装中心块，在隧道衬砌外侧安装壁后嵌条；其中壁后嵌条采用分块拼装式，各分块的首部、尾部和顶部分别设有榫头、榫槽、突起点，以方便定位、安装和移除各分块；通过移除中心块以模拟隧道开挖，通过局部移除壁后嵌条中的若干分块以模拟壁后空洞。本发明通过安装和移除中心块，实现了先加载后开挖的试验过程，更符合山岭隧道的工程特点；通过安装和移除壁后嵌条中的若干分块，能够对不同几何特征（如不同位置、不同大小）的壁后空洞进行简便有效地模拟，尤其在重复试验中，避免了重新浇筑围岩并局部挖除围岩的繁琐工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置及方法，属于土木工程技术领域。
背景技术
采用新奥法施工的山岭隧道，由于围岩超挖未回填、混凝土浇捣不密实等原因，普遍存在衬砌与围岩接触不密实甚至局部脱空的病害现象。这些形状、位置、大小各异的壁后空洞病害，容易造成衬砌结构的应力集中、裂缝发展，甚至引起局部剥离掉块的严重安全事故。国内外许多学者通过现场测试、数值模拟和模型试验等手段，对存在赋存壁后空洞条件下衬砌结构的受力特性展开了细致研究。
由于模型试验具有边界条件明确、响应量测直观、衬砌及围岩相似材料特性可控等优点，已成为研究和解决隧道工程问题的一种重要手段。从总体上看，国内外隧道工程模型试验装置的种类和样式是较为丰富的：从模型放置方式看，包括卧式和立式两大类；从模型受力维数看，包括二维（平面应变）加载和三维加载两大类；从模型加载方式看，包括千斤顶加载和气（液）囊加载两大类；从反力提供方式看，包括框架式和基坑式；从开挖加载顺序看，包括先加载后开挖和先开挖后加载两大类。
在上述模型试验装置平台上，将衬砌壁后特定位置处的围岩局部挖除（或局部填充柔性材料），就能实现对衬砌壁后空洞病害的模拟，进而研究壁后空洞条件下衬砌结构的受力特性。但由于壁后空洞的几何特征复杂，若要细致研究不同位置、不同大小的壁后空洞对衬砌结构受力特征的影响，则需要不断重复上述试验。而基于现有的模型试验装置或方法，都需要重新浇筑围岩（至少部分重新浇筑），并将特定位置处的围岩局部挖除（或局部填充柔性材料），这无疑是一项费时、费力、费成本的工作。
发明内容
为了解决上述现有试验装置及方法中存在的不足，本发明的目的在于提供一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案一是：一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其包括中心块，所述中心块外侧浇筑有隧道衬砌，所述中心块的外轮廓尺寸与隧道衬砌的内轮廓尺寸相等，所述隧道衬砌外侧安装有沿着隧道衬砌外轮廓的壁后嵌条，所述壁后嵌条是由多片分块首尾相连拼接组成，所述壁后嵌条外侧浇筑有围岩，所述围岩四周旁边分别浇筑有四个对应的反力墩，各个反力墩内侧与围岩外侧之间均安装有千斤顶。
在进一步的优选方案中，所述分块的两端分别设有榫头和榫槽。
在进一步的优选方案中，所述分块的顶部设有突起点。
在进一步的优选方案中，所述中心块的材质为硬质木材。
在进一步的优选方案中，所述隧道衬砌的材质为石膏或发泡混凝土。
在进一步的优选方案中，所述壁后嵌条的材质为木材、有机玻璃或铝块。
在进一步的优选方案中，所述围岩的相似材料采用重晶石粉、铁精粉、粉细砂为骨料，石膏粉为辅料，松香与酒精溶液为胶结剂。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案二是：一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验方法，包括以下步骤：
（1）确定卧式隧道模型试验的相似关系：考虑作为研究对象的隧道原型的工程特点，同时考虑实验技术条件，选定几何相似比和应力相似比，进而确定卧式隧道模型试验中隧道衬砌的几何尺寸和各物理量的相似关系；
（2）浇筑隧道衬砌：制作中心块，其外轮廓尺寸与设计的隧道衬砌内轮廓尺寸保持一致；以中心块为内模，配合以临时外模，在卧式加载试验平台上就地浇筑隧道衬砌；隧道衬砌的材质采用预定的相似材料，其几何尺寸和各物理量应符合相似关系的要求；
（3）安装壁后嵌条：待隧道衬砌硬化成型后，脱去临时外模，在其外侧安装壁后嵌条；壁后嵌条采用分块拼装式，各分块的首部、尾部和顶部分别对应设有榫头、榫槽和突起点，以方便定位、安装和移除各分块；
（4）浇筑围岩：壁后嵌条安装完毕后，在其外侧浇筑围岩，以形成卧式隧道模型；围岩的材质采用预定的相似材料，其各物理量应符合相似关系的要求；
（5）加载至初始应力状态：在卧式加载试验平台上，利用千斤顶和反力墩对卧式隧道模型施加围压，其荷载值应符合相似关系的要求，以模拟初始应力状态；测量各监测点的初始读数；
（6）模拟隧道开挖及壁后空洞：保持施加围压的同时，先移除中心块以模拟隧道开挖，测量各监测点的读数变化；再局部移除壁后嵌条中的若干分块以模拟壁后空洞，测量各监测点的读数变化，以定量研究赋存空洞条件下隧道衬砌结构的受力特性；
（7）进行重复试验：卸载围压，将被移除的中心块和若干分块重新安装回相应的位置，然后重复步骤（5）和步骤（6）；在重复试验过程中，调整壁后空洞的位置与大小，以定量研究不同空洞条件下隧道衬砌结构的受力特性。
在进一步的优选方案中，在步骤（1）中，通过选定几何相似比，进而确定隧道衬砌的厚度和外轮廓尺寸；通过选定应力相似比，进而确定隧道衬砌材料的弹模相似比、密度相似比、强度相似比和面荷载相似比。
在进一步的优选方案中，在步骤（2）中，同时应在内模和外模上涂刷润滑剂，以方便后期脱模。
与现有技术相比，本发明优点在于：通过安装和移除中心块，实现了先加载后开挖的试验过程，更符合山岭隧道的工程特点；通过安装和移除壁后嵌条中的若干分块，能够对不同几何特征（如不同位置、不同大小）的壁后空洞进行简便有效地模拟，尤其在重复试验中，避免了重新浇筑围岩并局部挖除围岩的繁琐工作。
附图说明
图1为卧式隧道模型试验装置开挖前的结构示意图。
图2为壁后嵌条的分块拼装示意图。
图3为卧式隧道模型试验装置开挖后的结构示意图。
图中标记：1-中心块，2-隧道衬砌，3-壁后嵌条，31-分块，32-榫头，33-榫槽，34-突起点，4-围岩，5-千斤顶，6-反力墩。
具体实施方式
为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~3所示，一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其包括中心块1，所述中心块1外侧浇筑有隧道衬砌2，所述中心块1的外轮廓尺寸与隧道衬砌2的内轮廓尺寸相等，所述隧道衬砌2外侧安装有沿着隧道衬砌2外轮廓的壁后嵌条3，所述壁后嵌条3是由多片分块31首尾相连拼接组成，所述壁后嵌条3外侧浇筑有围岩4，所述围岩4四周旁边分别浇筑有四个对应的反力墩6，各个反力墩6内侧与围岩4外侧之间均安装有千斤顶5。
为了保证精确定位及安装，所述分块31的两端分别设有榫头32和榫槽33，例如分块31的首部设有榫头32，尾部设有榫槽33。为了方便安装或移除分块31，所述分块31的顶部设有突起点34。
为了方便制作，所述中心块1的材质为硬质木材。所述隧道衬砌2的材质为石膏或发泡混凝土。所述壁后嵌条3的材质为木材、有机玻璃或铝块。所述围岩4的相似材料采用重晶石粉、铁精粉、粉细砂为骨料，石膏粉为辅料，松香与酒精溶液为胶结剂。
如图1~3所示，一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验方法，包括以下步骤：
（1）确定卧式隧道模型试验的相似关系：考虑作为研究对象的隧道原型的工程特点，同时考虑实验技术条件，选定几何相似比和应力相似比，进而确定卧式隧道模型试验中隧道衬砌2的几何尺寸和各物理量的相似关系；
（2）浇筑隧道衬砌2：制作中心块1，其外轮廓尺寸与设计的隧道衬砌2内轮廓尺寸保持一致；以中心块1为内模，配合以临时外模（图中未画出），在卧式加载试验平台上就地浇筑隧道衬砌2；隧道衬砌2的材质采用预定的相似材料，其几何尺寸和各物理量应符合相似关系的要求；
（3）安装壁后嵌条3：待隧道衬砌2硬化成型后，脱去临时外模，在其外侧安装壁后嵌条3；壁后嵌条3采用分块31拼装式，各分块31的首部、尾部和顶部分别对应设有榫头32、榫槽33和突起点34，以方便定位、安装和移除各分块31；
（4）浇筑围岩4：壁后嵌条3安装完毕后，在其外侧浇筑围岩4，以形成卧式隧道模型；围岩4的材质采用预定的相似材料，其各物理量应符合相似关系的要求；
（5）加载至初始应力状态：在卧式加载试验平台上，利用千斤顶5和反力墩6对卧式隧道模型施加围压，其荷载值应符合相似关系的要求，以模拟初始应力状态；测量各监测点（图中未画出）的初始读数；
（6）模拟隧道开挖及壁后空洞：保持施加围压的同时，先移除中心块1以模拟隧道开挖，测量各监测点的读数变化；再局部移除壁后嵌条3中的若干分块31以模拟壁后空洞，测量各监测点的读数变化，以定量研究赋存空洞条件下隧道衬砌2结构的受力特性；
（7）进行重复试验：卸载围压，将被移除的中心块1和若干分块31重新安装回相应的位置，然后重复步骤（5）和步骤（6）；在重复试验过程中，调整壁后空洞的位置与大小，以定量研究不同空洞条件下隧道衬砌2结构的受力特性。
在步骤（1）中，通过选定几何相似比，进而确定隧道衬砌2的厚度和外轮廓尺寸；通过选定应力相似比，进而确定隧道衬砌2材料的弹模相似比、密度相似比、强度相似比和面荷载相似比。以IV级围岩4深埋段的单向两车道公路隧道为原型，同时考虑实验技术条件，首先选定几何相似比SL=1/10，则隧道衬砌2的厚度为4cm，其外轮廓尺寸为98cm（高）*122cm（宽），内轮廓尺寸为90cm（高）*114cm（宽）。然后选定应力相似比Ss=1/10，则其他物理量的相似比均可由上述二者推导出，即材料的弹模相似比SE=1/10、密度相似比Sr=1、强度相似比Sc=1/10，面荷载相似比Sq=1/10。
在步骤（2）中，可采用硬质木材加工成中心块1；可采用石膏或发泡混凝土浇筑隧道衬砌2，其弹模、密度等物性值应符合相似关系的要求；同时应在内模和外模上涂刷润滑剂，以方便后期脱模。
在步骤（3）中，可采用木材、有机玻璃或铝块制作壁后嵌条3的分块31，其弹模、密度等物性值应尽量与围岩4保持一致；本实施例采用32片分块31沿着隧道衬砌2的外轮廓首尾相连拼接组成壁后嵌条3。
在步骤（4）中，围岩4的相似材料可采用重晶石粉、铁精粉、粉细砂为骨料，石膏粉为辅料，松香与酒精溶液为胶结剂，其弹模、密度等物性值应符合相似关系的要求，例如本实施例按质量百分比m重晶石粉：m铁精粉：m粉细砂：m石膏粉：m松香：m酒精=0.606：0.152：0.189：0.02：0.033：0.1的比例配置而成。
在步骤（6）中，本实施例移除右上侧2片分块31，以模拟衬砌右拱腰处的壁后空洞。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置及方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：包括中心块，所述中心块外侧浇筑有隧道衬砌，所述中心块的外轮廓尺寸与隧道衬砌的内轮廓尺寸相等，所述隧道衬砌外侧安装有沿着隧道衬砌外轮廓的壁后嵌条，所述壁后嵌条是由多片分块首尾相连拼接组成，所述壁后嵌条外侧浇筑有围岩，所述围岩四周旁边分别浇筑有四个对应的反力墩，各个反力墩内侧与围岩外侧之间均安装有千斤顶。
2.根据权利要求1所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：所述分块的两端分别设有榫头和榫槽。
3.根据权利要求2所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：所述分块的顶部设有突起点。
4.根据权利要求1所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：所述中心块的材质为硬质木材。
5.根据权利要求1所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：所述隧道衬砌的材质为石膏或发泡混凝土。
6.根据权利要求1所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：所述壁后嵌条的材质为木材、有机玻璃或铝块。
7.根据权利要求1所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验装置，其特征在于：所述围岩的相似材料采用重晶石粉、铁精粉、粉细砂为骨料，石膏粉为辅料，松香与酒精溶液为胶结剂。
8.一种模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）确定卧式隧道模型试验的相似关系：考虑作为研究对象的隧道原型的工程特点，同时考虑实验技术条件，选定几何相似比和应力相似比，进而确定卧式隧道模型试验中隧道衬砌的几何尺寸和各物理量的相似关系；
（2）浇筑隧道衬砌：制作中心块，其外轮廓尺寸与设计的隧道衬砌内轮廓尺寸保持一致；以中心块为内模，配合以临时外模，在卧式加载试验平台上就地浇筑隧道衬砌；隧道衬砌的材质采用预定的相似材料，其几何尺寸和各物理量应符合相似关系的要求；
（3）安装壁后嵌条：待隧道衬砌硬化成型后，脱去临时外模，在其外侧安装壁后嵌条；壁后嵌条采用分块拼装式，各分块的首部、尾部和顶部分别对应设有榫头、榫槽和突起点，以方便定位、安装和移除各分块；
（4）浇筑围岩：壁后嵌条安装完毕后，在其外侧浇筑围岩，以形成卧式隧道模型；围岩的材质采用预定的相似材料，其各物理量应符合相似关系的要求；
（5）加载至初始应力状态：在卧式加载试验平台上，利用千斤顶和反力墩对卧式隧道模型施加围压，其荷载值应符合相似关系的要求，以模拟初始应力状态；测量各监测点的初始读数；
（6）模拟隧道开挖及壁后空洞：保持施加围压的同时，先移除中心块以模拟隧道开挖，测量各监测点的读数变化；再局部移除壁后嵌条中的若干分块以模拟壁后空洞，测量各监测点的读数变化，以定量研究赋存空洞条件下隧道衬砌结构的受力特性；
（7）进行重复试验：卸载围压，将被移除的中心块和若干分块重新安装回相应的位置，然后重复步骤（5）和步骤（6）；在重复试验过程中，调整壁后空洞的位置与大小，以定量研究不同空洞条件下隧道衬砌结构的受力特性。
9.根据权利要求8所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验方法，其特征在于：在步骤（1）中，通过选定几何相似比，进而确定隧道衬砌的厚度和外轮廓尺寸；通过选定应力相似比，进而确定隧道衬砌材料的弹模相似比、密度相似比、强度相似比和面荷载相似比。
10.根据权利要求8所述的模拟衬砌壁后空洞的卧式隧道模型试验方法，其特征在于：在步骤（2）中，同时应在内模和外模上涂刷润滑剂，以方便后期脱模。
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