CN107941671A - 富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,属于隧道受力模拟领域,包括以下步骤:(一),制作试验模型,模拟裂隙岩体隧道衬砌和围岩的具体结构;(二),向模型内注水,使模型水压力基本保持恒定;(三),对模型中的待测点的水压力值和衬砌的排水量进行测定;(四),对水压力数据处理。按照本发明方法可得到衬砌水压力分布图,准确且直观的分析衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征。

Description

富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法
技术领域
[0001] 本发明涉及隧道受力模拟领域,尤其是一种隧道衬砌水压力分布模拟。
背景技术
[0002] 根据我国发展战略的需要,对交通基础建设的需求在日益增加,铁路、公路路网的 完善是交通基础建设中的重点,而路网的完善要不可避免的修建大量的山岭隧道。特别是 我国西部地区,多山且地质构造复杂,丰富的地下水为隧道的修建带来技术难题,尤其是在 有裂隙的山体中修建大埋深隧道,衬砌往往需要承受高水压,这对隧道结构非常不利。为了 降低衬砌水压力,目前主要采用的是“以堵为主,限量排放”的治水方案,在不影响当地生态 环境的同时,可以有效的降低衬砌水压力。高水压富水地区不仅隧道的修建非常困难,已建 成的隧道,运营中时常有衬砌结构变形、开裂、破坏等病害发生,主要原因是隧道衬砌承受 较大的水压力。在“以堵为主,限量排放”的治水方案下,隧道结构必定要受到地下水的影 响,因此,试验研究在高水压下衬砌背后水压力分布特征显得尤为重要。
发明内容
[0003] 本发明需要解决的技术问题是提供一种富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试 验模拟方法,得到衬砌水压力分布图,准确且直观的分析衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压 力分布特征。
[0004] 为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
[0005] 富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,包括以下步骤:
[0006] (—),制作试验模型,模拟裂隙岩体隧道衬砌和围岩的具体结构;
[0007] (二),向模型内注水,使模型水压力基本保持恒定;
[0008] (三),对模型中的待测点的水压力值和衬砌的排水量进行测定;
[0009] (四),对水压力数据处理。
[0010] 本发明技术方案的进一步改进在于:制作试验模型的步骤包括:
[0011] 1),制作内夹土工布的水泥砂浆的试样,对试样进行渗透系数测试,根据试样渗透 系数的测试结果选择合适的水泥砂浆配合比和土工布厚度;
[0012] 2),制作长方体的模型箱,实物与模型按照1:50比例进行缩小模拟,安装穿透模型 箱两个相对侧壁的聚丙烯管,在聚丙烯管圆周外安装沿着聚丙烯管长度方向的纵向盲管和 围绕聚丙烯管圆周的环向盲管,环向盲管与纵向盲管连通,纵向盲管与聚丙烯管内连通;
[0013] 3),在模型箱内布置模拟裂隙的土工布,在待测点上布置孔隙水压力计并进行编 号;
[0014] 4),将水泥砂浆浇筑到模型箱内,将模型箱上端用顶盖封闭。
[0015] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述步骤1)的具体过程为:
[0016] a,制作试样,选取32.5矿渣硅酸盐水泥、粒径为0〜3111111的中砂,15(^和30(^规格的 土工布,按照水泥和砂比例为1:1比例搅拌成水泥砂浆,将水泥砂浆分别与150g、300g规格 的土工布制作成带裂隙的砂浆试件;
[0017] b,使用水钻法用岩石取芯机在制作好的砂浆试件上取样,取样为圆柱状,且使制 作的裂隙面过试样圆柱圆心;
[0018] c,用双端面磨平机对试样进行打磨,然后用磨刀石对试样进行手工磨平,确保岩 样两端面光滑平整;
[0019] d,采用岩石渗透分析仪对试样的渗透系数进行测定,选取渗透系数更稳定的150g 规格的土工布和水泥砂浆制作围岩和模拟裂隙。
[0020] 本发明技术方案的进一步改进在于:土工布按照模拟试验的内容进行布置,模拟 一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管的长度方向平行布置一面土工布,截取三个平行于土 工布的断面,分别为两端的断面1-1、断面1-3和中间的断面1-2,所述断面1-2与土工布重 合,断面1-1经过环向盲管,断面1-1、断面1-3和中间的断面1-2上设置有孔隙水压力计;
[0021] 模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管的长度方向平行布置两面土工布, 截取三个平行于土工布的断面,分别为两端的断面2-1、断面2-3和中间的断面2-2,所述断 面2-1和断面2-3与土工布重合,断面2-1和断面2-3经过环向盲管,断面2-1、断面2-3和中间 的断面2-2上设置有孔隙水压力计。
[0022] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述断面1-2、断面2-1和断面2-3上围绕聚丙 烯管圆周设置有多个孔隙水压力计,断面1-2、断面2-1和断面2-3上平行于聚丙烯管径向设 置有三竖排孔隙水压力计;断面1-1、断面1-3、断面2-2上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔 隙水压力计。
[0023] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述步骤(三)的测定要求为在不同的水压下 使用计算机每隔2min记录一次各测点应变值,连续监测并记录,10次为一组,并收集每组内 衬砌的排水量,每个测点测多组,求其平均值。
[0024] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述步骤(四)根据步骤(三)的测定结果画出 各个测点的水压力分布图,得到衬砌背后及衬砌围岩的水压力分布情况。
[0025] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述实验模型包括长方体模型箱,所述模型 箱中下部设置有穿透模型箱两个相对侧壁的、模拟衬砌的聚丙烯管,聚丙烯管外圆周上设 置有泄水孔,所述模型箱内的聚丙烯管圆周外设置有沿着聚丙烯管长度方向的纵向盲管和 围绕聚丙烯管圆周的环向盲管,环向盲管与纵向盲管连通,纵向盲管与聚丙烯管内连通,模 型箱内布置有模拟裂隙的土工布和孔隙水压力计,所述孔隙水压力计与静态应变仪连接, 所述静态应变仪与计算机连接,所述聚丙烯管、纵向盲管、环向盲管、土工布四周设置由水 泥砂浆浇筑而成的模拟岩体的长方体围岩,所述模型箱顶部设置有密封顶盖,所述顶盖上 通过进水口连接有与水源连通的高压水管,高压水管上设置有调压阀门,所述顶盖上还设 置有测量模型箱内顶面水压的压力表,所述模型箱底部设置有排水阀门。
[0026] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述纵向盲管和环向盲管均使用弹簧包纱布 模拟,孔隙水压力计外用纱布进行包裹,所述聚丙烯管外用纱布包裹。
[0027] 本发明技术方案的进一步改进在于:所述围岩顶部低于顶盖。
[0028] 由于采用了上述技术方案,本发明取得的技术进步是:
[0029] 本发明在不同的围岩顶面水压和围岩底面边界不透水和透水条件下,用静态应变 仪测出各测点的水压力值,并量测隧道内单位时间的排水量,将得到水压力值绘制成水压 力分布图,计算出各点的水压力作用系数,分析衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特 征。
[0030] 制作水泥砂浆和土工布的试样,从中选出渗透系数最稳定的土工布和水泥砂浆, 更加接近于实际工况,确保模拟真实,得到数据更加可靠。
[0031] 纵向盲管和环向盲管均适用弹簧包纱布模拟,把纱布包在弹簧上来制作排水系 统,可有效的保证排水系统的畅通。孔隙水压力计外用纱布进行包裹,避免围岩的浇筑过程 中,砂浆堵塞预埋在围岩中孔隙水压力计上的透水石。
[0032] 模拟箱内孔隙水压力计的布置保证了衬砌背后、裂隙面上及围岩中的水压力全部 获取,为试验结果提供完整和全面的数据支撑。
附图说明
[0033] 图1是隧道排水、围岩底面边界不透水、6.25MPa下断面1-1水压力分布;
[0034] 图2是隧道排水、围岩底面边界不透水、6.25MPa下断面1-2水压力分布;
[0035] 图3是隧道排水、围岩底面边界不透水、6.25MPa下断面1-3水压力分布;
[0036] 图4是隧道排水、围岩底面边界透水、6.40MPa下断面I -1水压力分布;
[0037] 图5是隧道排水、围岩底面边界透水、6.40MPa下断面1 -2水压力分布;
[0038] 图6是隧道排水、围岩底面边界透水、6.40MPa下断面1 -3水压力分布;
[0039] 图7是隧道不排水、围岩底面边界不透水、6. IOMPa下断面2-1水压力分布;
[0040] 图8是隧道不排水、围岩底面边界不透水、6.1OMPa下断面2-2水压力分布;
[0041] 图9是隧道不排水、围岩底面边界不透水、6.1OMPa下断面2-3水压力分布;
[0042] 图10是隧道不排水、围岩底面边界透水、6.1OMPa下断面2-1水压力分布;
[0043] 图11是隧道不排水、围岩底面边界透水、6.1OMPa下断面2-2水压力分布;
[0044] 图12是隧道不排水、围岩底面边界透水、6.1OMPa下断面2-3水压力分布;
[0045] 图13是隧道排水、围岩底面边界不透水、6.15MPa下断面2-1水压力分布;
[0046] 图14是隧道排水、围岩底面边界不透水、6.15MPa下断面2-2水压力分布;
[0047] 图15是隧道排水、围岩底面边界不透水、6.15MPa下断面2-3水压力分布;
[0048] 图16是隧道排水、围岩底面边界透水、6.15MPa下断面2-1水压力分布;
[0049] 图17是隧道排水、围岩底面边界透水、6.15MPa下断面2-2水压力分布;
[0050] 图18是隧道排水、围岩底面边界透水、6.15MPa下断面2-3水压力分布;
[0051] 图19是模型箱结构示意图;
[0052] 图20是一条贯穿裂隙的结构示意图;
[0053] 图21是两条平行贯穿裂隙的结构示意图;
[0054] 图22是断面1-2、断面2-1、断面2-3上孔隙水压力计的排布示意图;
[0055] 图23是断面1-1、断面1-3、断面2-2上孔隙水压力计的排布示意图;
[0056] 其中,1、模型箱,2、聚丙烯管,3、纵向盲管,4、环向盲管,5、土工布,6、孔隙水压力 计,7、围岩,8、顶盖,9、高压水管,10、压力表,11、阀门a,12、阀门b,13、阀门c,14、阀门d,15、 泄水孔。
具体实施方式
[0057] 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明:
[0058] 如图1〜23所示,富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征在于 包括以下步骤:
[0059] (—),制作试验模型,模拟裂隙岩体隧道衬砌和围岩的具体结构。
[0060] 制作试验模型的步骤包括:
[0061] 1),制作内夹土工布的水泥砂浆的试样,对试样进行渗透系数测试,根据试样渗透 系数的测试结果选择合适的水泥砂浆配合比和土工布厚度。
[0062]具体的包括:
[0063] a,制作试样,选取32.5矿渣硅酸盐水泥、粒径为0〜3mm的中砂,150g和300g规格的 土工布,按照水泥和砂比例为1:1比例搅拌成水泥砂浆,将水泥砂浆分别与150g、300g规格 的土工布制作成带裂隙的砂楽试件,试件的尺寸为长X宽X高=400mm X 200mm X 80mm;
[0064] b,使用水钻法用岩石取芯机在制作好的砂浆试件上取样,取样为圆柱状,取样直 径为50mm,高度为80mm (非标准试样),且使制作的裂隙面过试样圆柱圆心;
[0065] c,由于试样端面不平整,且非标准试样,需要把非标准试样修整为标准试样,首先 用双端面磨平机,对试样进行打磨,然后用磨刀石对试样进行手工磨平,确保岩样两端面光 滑平整,最终得到直径为50mm,高度为50mm的标准试样;
[0066] 制作出的二种标准试样依次为:用150g规格的土工布和水泥砂浆制作出带裂隙的 标准试样,用300g规格的土工布和水泥砂浆制作出带裂隙的标准试样。经测量用150g规格 的土工布和水泥砂浆制作成试样的裂隙宽度为lmm,300g规格的土工布和水泥砂浆制作成 试样的裂隙宽度为2mm,裂隙面的宽为5 Omm,高为5 Omm。
[0067] d,采用HYS-4型岩石渗透分析仪对试样的渗透系数进行测定,该渗透仪用于渗透 试验的恒压系统,具有较高的精度。
[0068] 从砂浆试件中取出一个无裂隙的标准试样,经测定,无裂隙试样在28h内不透水, 和裂隙的渗透系数相比,水泥砂浆的渗透系数非常小,可视为不透水材料,适合用来模拟围 岩;150g规格的土工布和水泥砂浆制作成的裂隙与300g规格的比较,渗透系数更稳定,且渗 透系数的大小满足后期试验的需要,因此后期试验中,用150g的土工布模拟裂隙。其中水泥 砂浆浇筑后水化热严重,水泥砂浆水化热过高,会影响埋在其中孔隙水压力计的精确度,故 在两条贯通裂隙岩体隧道衬砌水压力分布特征试验时,需要采取措施降低水化热,主要从 以下三个方面进行:加入胶凝材料质量1 %的羧酸高效减水剂(缓凝型),保证砂浆强度、和 易性不变的情况下,可减少20%水用量;降低砂浆浇筑温度,通过降低拌合水的温度来降低 砂浆浇筑温度,可使砂浆的浇筑温度降低l〇°C左右;加入粉煤灰,减小水泥的掺量,加入水 泥用量30 %的粉煤灰,使水泥:砂:粉煤灰:水=1: 2:0.3:0.54,每立方砂浆中,水泥521kg, 砂 1042kg,粉煤灰 157kg,水280kg。
[0069] 2),制作长方体的模型箱,实物与模型按照1:50比例进行缩小模拟,安装穿透模型 箱两个相对侧壁的聚丙烯管,在聚丙烯管圆周外安装纵向盲管和环向盲管,纵向盲管沿着 聚丙烯管长度方向设置在聚丙烯管两侧靠底部的位置,环向盲管沿着聚丙烯管外圆周布置 有多个,环向盲管与纵向盲管相连通,纵向盲管与聚丙烯管连通。纵向盲管和环向盲管均包 括内部的弹簧,弹簧外包裹纱布;
[0070] 以单线隧道为例,假定隧道开挖断面半径为5.62m,围岩模拟范围取4倍洞泾,衬砌 外20m,隧道纵向长度取100m,则原型长方体围岩尺寸为:长X宽X高=IOOmX 50mX 50m。考 虑到测量元件布置方便,取几何相似比CL = 50,则围岩模型尺寸为:长X宽X高= 2mX ImX lm。围岩用水泥砂浆模拟,裂隙用土工布和水泥砂浆制作,隧道衬砌用外径为20cm的聚丙烯 管模拟,纵向盲管用外径为4mm的弹簧包纱布模拟,环向盲管用外径为2mm的弹簧包纱布模 拟,防水板用在聚丙烯管上包纱布模拟,用实验室内稳定的水头模拟原型水头。
[0071] 3),在模型箱内布置模拟裂隙的土工布,在待测点上布置孔隙水压力计并进行编 号;
[0072] 孔隙水压力计标定值的准确与否,对试验结果的可靠度产生直接影响,试验前对 孔隙水压力计进行标定,以保证在后期数据处理中,能得到精确的水压力值。
[0073] 土工布按照模拟试验的内容进行布置,模拟一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管 的长度方向平行布置一面土工布,截取三个平行于土工布的断面,分别为两端的断面1-1、 断面1-3和中间的断面1-2,所述断面1-2与土工布重合,断面1-1经过环向盲管。断面1-2上 围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计,断面1-2上还设置三竖排平行的孔隙水压力 计,中间一竖排与聚丙烯管径向重合。断面1-1、断面1-3上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔 隙水压力计。
[0074] 模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管的长度方向平行布置两面土工布, 截取三个平行于土工布的断面,分别为两端的断面2-1、断面2-3和中间的断面2-2,所述断 面2-1和断面2-3与土工布重合,断面2-1和断面2-3经过环向盲管。断面2-1和断面2-3上围 绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计,断面2-1和断面2-3上还设置三竖排平行的孔隙 水压力计,中间一竖排与聚丙烯管径向重合,断面2-2上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙 水压力计。其中所有孔隙水压力计进行编号处理。
[0075] 4),将水泥砂浆浇筑到模型箱内,将模型箱上端用顶盖封闭。
[0076] 其中实验模型包括长方体模型箱1,模型箱1中部设置有穿透模型箱1两个相对侧 壁的、模拟衬砌的聚丙烯管2,聚丙烯管2—端封闭,另一端敞开用于排水,聚丙烯管2外圆周 上设置有泄水孔15,泄水孔15沿着聚丙烯管2长度方向设置有一排,聚丙烯管2敞开的一端 下方设置量筒,配备秒表后可用量筒和秒表测定渗水量和时间。聚丙烯管2外包裹纱布,在 聚丙烯管上包纱布模拟的是隧道二衬与初支之间土工布和防水板层的地下水渗流。
[0077] 模型箱1内的聚丙烯管2圆周外设置有纵向盲管3和环向盲管4,纵向盲管3沿着聚 丙烯管2长度方向设置在聚丙烯管2两侧靠底部的位置,环向盲管4沿着聚丙烯管2外圆周布 置有多个,环向盲管4与纵向盲管3相连通,纵向盲管3与聚丙烯管2连通。密封箱1内布置有 模拟裂隙的土工布5和孔隙水压力计6,孔隙水压力计6外用纱布进行包裹,孔隙水压力计6 与静态应变仪连接,静态应变仪与计算机连接,聚丙烯管2、纵向盲管3、环向盲管4、土工布5 四周设置由水泥砂浆浇筑而成的模拟岩体的长方体围岩7。
[0078] 模型箱1顶部设置有密封顶盖8,围岩顶部低于模型箱顶盖8。顶盖8上通过进水口 连接有与水源连通的高压水管9,高压水管9上设置有调压阀门,调节阀门包括水源出口阀 门all和阀门bl2,阀门all设置在水源出口处,阀门bl2设置在高压水管9面的分支管路上, 分支管路作为一个出水口与外界连通,进水口处还设置有阀门dl4,试验时打阀门dl4和阀 门all,不断的向密闭模型试验箱注水,水压的大小通过水源出水口阀门all和阀门bl2共同 调节。顶盖上还设置有阀门cl3,阀门cl3的作用是平衡气压,试验开始往模型箱内注水时打 开,待箱体内水注满时关闭。顶盖8上还设置有测量模型箱1内的围岩顶面的水压的压力表 10,模型箱1底部设置有8个排水阀门,控制底部的排水,通过控制排水阀门的开关,来模拟 围岩在不同透水边界条件下的渗流场。
[0079] (二),向模型内注水,使模型水压力基本保持恒定;
[0080] 打开进水口阀门dl4、平衡箱体内气压的阀门cl3,然后打开水源出水口阀门all开 始往模型箱内注水;待水注满后,关掉阀门cl3,通过调节水源出水口阀门all和阀门bl2,使 得水压渗流稳定。
[0081] (三),对模型中的待测点的水压力值和衬砌的排水量进行测定;
[0082] 待水压渗流稳定后,记录静态应变仪上的数据,同时用量筒和秒表测定渗水量和 时间,并记录数据。
[0083] 具体测定要求为在不同的水压下使用计算机每隔2min记录一次各测点应变值,连 续监测并记录,10次为一组,并收集每组内衬砌的排水量,每个测点测多组,求其平均值。
[0084] (四),对水压力数据处理。
[0085] 根据步骤(三)的测定结果画出各个测点的水压力分布图,得到衬砌背后及围岩内 的水压力分布情况。
[0086] 以一组数据为例进行详细说明:
[0087] 一条贯通裂隙岩体隧道试验水压力分布特征
[0088] —条贯通裂隙岩体隧道试验中,待围岩顶面水压和围岩中渗流稳定后,用计算机 每隔2min记录一次各测点应变值,连续监测并记录,10次为一组,并收集每组(20min)内衬 砌的排水量。每个测点测3组,求其平均值,得到:
[0089] (1)隧道排水、围岩底面边界不透水条件下,水压表在0.121MPa下各测点的水压力 值和衬隧道排水量,见表4-1;
[0090] (2)隧道排水、围岩底面边界透水条件下,水压表在0.124MPa下各测点的水压力值 和隧道排水量,见表4-4。
[0091] 表4-1水压表在0.121MPa下各测点水压力值和隧道排水量
[0092]
Figure CN107941671AD00101
[0093] 表4-4水压表在0.124MPa下各测点水压力值和隧道排水量
[0094]
Figure CN107941671AD00102
[0095] 水压力数据处理与分析
[0096] 水压力数据处理,按各自的相似比换算成原型来讨论。把上述表4-1、表4-4中得到 的水压力值换算成原型绘制成水压力分布图,见图1〜6。
[0097] 两条贯通裂隙岩体隧道试验水压力分布特征
[0098] (1)隧道不排水、围岩底面边界不透水条件下,水压表在0. IlSMPa下各测点的水压 力值,见表4-10;
[0099] (2)隧道不排水、围岩底面边界透水条件下,水压表在0. IlSMPa下各测点的水压力 值,见表见表4-13;
[0100] ⑶隧道排水、围岩底面边界不透水条件下,水压表在0.119MPa下各测点的水压力 值和隧道排水量,见表4-15;
[0101] ⑷隧道排水、围岩底面边界透水条件下,水压表在〇.119MPa下各测点的水压力和 隧道排水量,见表4-18。
[0102] 其中为了使得隧道不透水可以在隧道内灌注水泥砂浆,将隧道封堵。
[0103] 表4-10水压表在0· 118MPa下各测点水压力值MPa
[0104]
Figure CN107941671AD00111
[0105] 表4-13水压表在0· 118MPa下各测点水压力值MPa
[0106]
Figure CN107941671AD00121
[0107] 表4-15水压表在0.119MPa下各测点水压力值和隧道排水量
[0108]
Figure CN107941671AD00122
[0109] 表4-18水压表在0.119MPa下各测点水压力值和隧道排水量
[0110]
Figure CN107941671AD00131
[0111] 水压力数据处理与分析
[0112] 水压力数据处理,按各自的相似比换算成原型来讨论。把上述表4-10、表4-13、表 4-15、表4-18中得到的水压力值换算成原型绘制成水压力分布图,见图7〜18。
[0113] 根据数据得出结论:
[0114] 衬砌背后水压力分布特征:
[0115] ①一条贯通裂隙岩体隧道衬砌背后水压力分布特征为:
[0116] (a)随着围岩顶面水压力的增大,衬砌背后水压力作用系数逐渐减小。
[0117] (b)隧道排水时,围岩底面边界不透水比围岩底面边界透水水压力作用系数减小 39.9 %,说明围岩底面边界透水条件是影响衬砌水压力的一个因素。
[0118] ②两条平行贯通裂隙岩体隧道衬砌背后水压力分布特征为:
[0119] (a)当隧道不排水、围岩底面边界不透水时,围岩中任意一点的水压力近似等于该 点静水压力,水压力作用系数β〜1·〇。隧道排水时,水压力作用系数为β = 〇·424,且随着围 岩顶面水压力的增大而减小,说明隧道排水时可降低衬砌水压力。
[0120] (b)有环向盲管断面衬砌水压力作用系数小于无环向盲管断面,说明环向盲管是 影响衬砌水压力的一个因素。
[0121] (C) 一条贯通裂隙衬砌水压力作用系数比两条平行贯通裂隙小。
[0122] 裂隙面上水压力分布特征:
[0123] ①一条贯通裂隙隧道裂隙面上水压力分布特征为:随着围岩顶面水压力的增大, 裂隙面上水压力作用系数有减小的趋势。
[0124] ②两条平行贯通裂隙隧道裂隙面水压力分布特征为:
[0125] (a)随着围岩顶面水压力的增大,裂隙面上水压力作用系数缓慢增大。
[0126] (b)有环向盲管断面裂隙面上水压力作用系数大于无环向盲管断面,且随着围岩 顶面水压力增大,两裂隙面上水压力作用系数差值逐渐减小。
[0127] ③一条贯通裂隙和两条平行贯通裂隙隧道裂隙面水压力分布共有特征:水压力的 大小与测点的水平位置和垂直位置都有关系,位置越高水压力越大,且随着位置越高,水压 力增加越快;同一水平位置,隧道中线位置水压力小于两侧。水压力作用系数分和水压力布 规律相同。
[0128] 围岩中水压分布特征:围岩中水压力的大小与围岩中裂隙发育有很大关系,且同 一水平位置,围岩中水压力小于裂隙面。

Claims (10)

1. 富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征在于包括以下步骤: (一) ,制作试验模型,模拟裂隙岩体隧道衬砌和围岩的具体结构; (二) ,向模型内注水,使模型水压力基本保持恒定; (三) ,对模型中的待测点的水压力值和衬砌的排水量进行测定; (四) ,对水压力数据处理。
2. 根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于制作试验模型的步骤包括: 1) ,制作内夹土工布的水泥砂浆的试样,对试样进行渗透系数测试,根据试样渗透系数 的测试结果选择合适的水泥砂浆配合比和土工布厚度; 2) ,制作长方体的模型箱,实物与模型按照1:50比例进行缩小模拟,安装穿透模型箱两 个相对侧壁的聚丙烯管,在聚丙烯管圆周外安装沿着聚丙烯管长度方向的纵向盲管和围绕 聚丙烯管圆周的环向盲管,环向盲管与纵向盲管连通,纵向盲管与聚丙烯管内连通; 3) ,在模型箱内布置模拟裂隙的土工布,在待测点上布置孔隙水压力计并进行编号; 4) ,将水泥砂浆浇筑到模型箱内,将模型箱上端用顶盖封闭。
3. 根据权利要求2所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于所述步骤1)的具体过程为: a,制作试样,选取32.5矿渣娃酸盐水泥、粒径为0〜3mm的中砂,150g和300g规格的土工 布,按照水泥和砂比例为1:1比例搅拌成水泥砂浆,将水泥砂浆分别与150g、300g规格的土 工布制作成带裂隙的砂浆试件; b,使用水钻法用岩石取芯机在制作好的砂浆试件上取样,取样为圆柱状,且使制作的 裂隙面过试样圆柱圆心; c,用双端面磨平机对试样进行打磨,然后用磨刀石对试样进行手工磨平,确保岩样两 端面光滑平整; d,采用岩石渗透分析仪对试样的渗透系数进行测定,选取渗透系数更稳定的150g规格 的土工布和水泥砂浆制作围岩和模拟裂隙。
4. 根据权利要求2所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:土工布按照模拟试验的内容进行布置,模拟一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管的 长度方向平行布置一面土工布,截取三个平行于土工布的断面,分别为两端的断面1-1、断 面1-3和中间的断面1-2,所述断面1-2与土工布重合,断面1-1经过环向盲管,断面1-1、断面 1-3和中间的断面1-2上设置有孔隙水压力计; 模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管的长度方向平行布置两面土工布,截取 三个平行于土工布的断面,分别为两端的断面2-1、断面2-3和中间的断面2-2,所述断面2-1 和断面2-3与土工布重合,断面2-1和断面2-3经过环向盲管,断面2-1、断面2-3和中间的断 面2-2上设置有孔隙水压力计。
5. 根据权利要求4所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:所述断面1-2、断面2-1和断面2-3上围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计,断 面1-2、断面2-1和断面2-3上平行于聚丙烯管径向设置有三竖排孔隙水压力计;断面1-1、断 面1-3、断面2-2上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙水压力计。
6. 根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:所述步骤(三)的测定要求为在不同的水压下使用计算机每隔2min记录一次各测点应 变值,连续监测并记录,10次为一组,并收集每组内衬砌的排水量,每个测点测多组,求其平 均值。
7. 根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:所述步骤(四)根据步骤(三)的测定结果画出各个测点的水压力分布图,得到衬砌背 后及衬砌围岩的水压力分布情况。
8. 根据权利要求2所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:所述实验模型包括长方体模型箱(1),所述模型箱(1)中下部设置有穿透模型箱两个 相对侧壁的、模拟衬砌的聚丙烯管(2),聚丙烯管(2)外圆周上设置有泄水孔(15),所述模型 箱(1)内的聚丙烯管(2)圆周外设置有沿着聚丙烯管长度方向的纵向盲管(3)和围绕聚丙烯 管圆周的环向盲管⑷,环向盲管⑷与纵向盲管⑶连通,纵向盲管⑶与聚丙烯管⑵内连 通,模型箱(1)内布置有模拟裂隙的土工布(5)和孔隙水压力计(6),所述孔隙水压力计(6) 与静态应变仪连接,所述静态应变仪与计算机连接,所述聚丙烯管(2)、纵向盲管(3)、环向 盲管(4)、土工布(5)四周设置由水泥砂浆浇筑而成的模拟岩体的长方体围岩(7),所述模型 箱(1)顶部设置有密封顶盖(8),所述顶盖(8)上通过进水口连接有与水源连通的高压水管 (9),高压水管(9)上设置有调压阀门,所述顶盖(8)上还设置有测量模型箱(1)内顶面水压 的压力表(10),所述模型箱(1)底部设置有排水阀门。
9. 根据权利要求8所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:所述纵向盲管(3)和环向盲管(4)均使用弹簧包纱布模拟,孔隙水压力计(6)外用纱布 进行包裹,所述聚丙烯管(2)外用纱布包裹。
10. 根据权利要求8所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟方法,其特征 在于:所述围岩(7)顶部低于顶盖(8)。
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