CN110658332B - 一种混凝土衬砌预压力测定试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土衬砌预压力测定试验装置的试验方法，包括：围岩及衬砌模拟系统、灌浆系统和量测系统；围岩及衬砌模拟系统用于模拟隧洞围岩灌浆圈和灌浆圈外的岩体、混凝土衬砌；灌浆系统用于将浆液灌入围岩灌浆圈；量测系统用于测量围岩及衬砌模拟系统试验的预压力、灌浆量和排水量。本发明的优点是：(1)本发明采用室内试验的方法确定混凝土衬砌预压力最大值，可获取随时间的变化规律，通过计算分析能够定量确定试验期外不同运行时间点的预压力值。(2)与目前常用的数值分析、工程类比方法相比，试验代表性好、成本低，可针对不同的条件开展多条件、多工况模拟。(3)试验成果对隧洞混凝土衬砌设计提供直接参考。
Description
技术领域
本发明涉及隧洞及地下工程技术领域，特别涉及一种可广泛应用于输水隧洞的灌浆试验装置及其试验方法，尤其是有压输水隧洞，以测定灌浆圈内围岩水泥灌浆引起的混凝土衬砌预压力，并可分析其长时间变化规律。
背景技术
有压输水隧洞广泛应用于水电站、引调水工程中，混凝土衬砌是其主要支护方式。长期运行过程中，内水压力直接作用于混凝土衬砌内壁，停水检修时隧洞内水压力消失，灌浆圈内围岩的水压力作用于混凝土衬砌外壁，由于长时间的隧洞内水向外渗透，水压力大小与运行过程中隧洞内水压力大致相当，作用方向相反，衬砌内壁产生拉应力，大多数情况混凝土衬砌开裂不可避免，尤其是在较高的输水压力作用下。灌浆一方面可起到加固围岩、提高围岩承载力和减少渗漏的作用，另一方面可对衬砌形成预压力，提高衬砌抵抗变形和破坏的能力，限制衬砌裂缝的产生和发展，得到了广泛的应用。
限于现阶段岩石力学的研究水平，衬砌限裂、隧洞围岩渗透稳定设计和研究还处于半经验半理论的水平，不少问题尚有待研究解决，如：(1)裂隙岩体灌浆对衬砌产生的峰值预压力发生时间及其数值难以确定，对隧洞混凝土衬砌设计造成了困扰；(2)灌浆对衬砌产生的预压力衰减规律及最终稳定作用值无成熟设计方法，目前多采用经验系数确定，但实际工程中受围岩特性等因素影响预压力长期保留比例(长期保留比例为长期预压力与峰值预压力的比值)离散较大(广州抽水蓄能电站、惠州抽水蓄能电站设计时预压力长期保留比例取值为0.1，白山水电站监测资料显示约为0.6)；(3)由于灌浆引起的衬砌预压力难以确定，用其提高衬砌抵抗变形和破坏能力时，适宜的灌浆压力很难确定，灌浆压力较低时，难以达到混凝土衬砌预压效果；灌浆压力较高时，施工难度加大、成本提高，且可能对围岩或衬砌造成破坏。
目前通过数值分析、工程类比等方法确定隧洞围岩水泥灌浆引起的混凝土衬砌预压力，重要工程也选取典型洞段开展现场试验，但现场试验周期长、成本高，只能选择少量的典型洞段开展，无法针对性地开展研究，代表性受限。研发一种隧洞围岩水泥灌浆引起的混凝土衬砌预压力测定试验装置及其试验方法对于推动隧洞混凝土衬砌、围岩灌浆设计改进具有重大意义。
与本发明相关的现有技术一
中国实用新型专利“一种岩石基础灌浆试验装置”(申请号CN201820289023.2)在混凝土试块内预留裂隙和注浆通道，并设透明观察板，能够模拟岩石基础的灌浆扩散，解决了教学中学生对浆液扩散缺乏直观的认识的问题。
现有技术一的缺点
(1)试验模型较为简单，不能对工程实际问题进行针对性的模拟；
(2)针对隧洞灌浆关心的衬砌预压作用问题，不能进行测定分析。
与本发明相关的现有技术二
中国实用新型专利“一种注浆堵漏模拟试验装置”(申请号CN201721498102.6)通过带加载系统的试验箱模拟了不同的地应力条件，采用煤粉渗透率的变化分析灌浆效果。
现有技术二的缺点
(1)该试验主要针对瓦斯突出、裂隙漏风等情况；
(2)未能反映待灌浆岩体的裂隙特性，而待灌岩体裂隙特性是影响水泥浆液可灌性、衬砌预压力消散规律的主要因素；
与本发明相关的现有技术三
《水利发电》1981年第一期“白山水电站压力隧洞灌浆式预应力衬砌的试验研究”一文介绍了白山水电站在分析灌浆产生混凝土衬砌预压力及消散方面的现场监测情况，论证了高压灌浆时衬砌结构具有承受高内水压力、减少衬砌混凝土开裂的能力。
现有技术三的缺点
但是该方案以现场试验为基础，成本高、周期长，无法进行推广，高压灌浆对待处理围岩渗透性改善及衬砌预压力受围岩性状、灌浆工艺等影响，处理效果差异很大，无法开展针对性的定量分析研究。
水泥基浆液为颗粒型浆液，一般认为开度小于0.2mm的裂隙不可灌。岩体细微裂隙通常较为发育，且一般具有连通性，灌后的岩体还具有一定的空隙、通道，造成岩体具有一定的透水性。在灌后岩体预压力作用下，这些细微裂隙中的水沿着裂隙逐步外排,细微裂隙将被压缩,灌后岩体会出现一定程度的体积膨胀,从而使衬砌上的预压力作用减小,即随着不可灌裂隙中水分的外排,衬砌上的预压力作用逐步消散。水泥浆液结石体自身在预压力的作用有可能产生收缩，使衬砌上的预压作用逐步消散。综合上述分析，现有技术存在诸多的不足之处，包括：第一，岩体的裂隙特性未能有效反映；第二，水泥浆液在岩体裂隙中的滤水作用没有考虑；第三，不能针对性的进行定量评价。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种混凝土衬砌预压力测定试验装置及其试验方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种混凝土衬砌预压力测定试验装置，包括：围岩及衬砌模拟系统、灌浆系统和量测系统；
围岩及衬砌模拟系统用于模拟隧洞围岩灌浆圈(即待灌裂隙岩体)和灌浆圈外的岩体、混凝土衬砌；
灌浆系统用于将浆液灌入围岩灌浆圈；
量测系统用于测量围岩及衬砌模拟系统的预压力、灌浆量和排水量。
进一步地，所述围岩及衬砌模拟系统包括：钢筒1、待灌裂隙岩体2、混凝土衬砌3、滤网11和密封盖板14。
钢筒1为圆柱形，用于模拟灌浆圈外岩体，其为刚性体，厚度可设为8-10mm；
待灌裂隙岩体2为圆管型，可用实际工程中的岩块加工而成，也可用混凝土进行模拟，用混凝土进行模拟时，不同开度的裂隙可用平行板间放置不同直径的金属丝控制，可在混凝土浇筑前埋设加热可融石蜡，混凝土浇筑后对石蜡进行融化冲洗而形成裂隙，也可采用3D打印技术进行成型。
混凝土衬砌3为圆管型，待灌裂隙岩体2设置完成后，铺设模板进行浇筑形成。
钢筒1底部连接排水管12，钢筒1底部还铺设滤网11，滤网11可采用土工织物或小网眼金属网片。
钢筒1、待灌裂隙岩体2和混凝土衬砌3的高度相同。
待灌裂隙岩体2的外壁直径略小于钢筒1的内壁直径，待灌裂隙岩体2的内壁直径略大于混凝土衬砌3的外壁直径。混凝土衬砌3放入待灌裂隙岩体2的内壁，待灌裂隙岩体2放入钢筒1内，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体2外壁与钢筒1内壁之间的空隙。
所述密封盖板14盖住钢筒1的开口并通过螺栓连接密封，
密封盖板14表面开有灌浆孔和数据传输线孔，灌浆孔对应待灌裂隙岩体2，数据传输线6孔对应混凝土衬砌3的中心，灌浆孔根据试验需要可布置多个。
从待灌裂隙岩体2上表面灌浆孔的位置向下钻灌浆孔柱4，灌浆孔柱4高度小于待灌裂隙岩体2高度。
进一步地，灌浆系统，包括：灌浆泵8、灌浆管路9和阀门15；
灌浆管路9一端连接灌浆泵8，另一端插入灌浆孔一定深度，并牢固固定，灌浆管路9中设有阀门15。
进一步地，量测系统，包括：应力传感器5、数据传输线6、采集单元7、流量计10和水量量测装置13；
应力传感器5，设置在混凝土衬砌3内壁上，可设置多个，用于量测混凝土衬砌3预压力；
数据传输线6穿过数据传输线孔，连接应力传感器5与采集单元7，采集单元7设置在围岩及衬砌模拟系统之外，在用于采集应力传感器5的量测值；
流量计10，设置在灌浆管路9上，量测灌浆量；
水量量测装置13设置在排水管12下部，用于量测灌浆过程中及灌浆结束后的排水量。
本发明还公开了上述一种混凝土衬砌预压力测定试验装置的试验方法包括以下步骤：
(1)待灌裂隙岩体2加工成型为圆管型；
(2)在待灌裂隙岩体2内部铺设模板，采用砂浆、水泥净浆或混凝土浇筑混凝土衬砌3，待7天后拆除模板；
(3)对混凝土衬砌3进行保温、保湿养护，达到强度要求后，在混凝土衬砌3内表面粘结应力传感器5；
(4)加工带有排水管12的钢筒1，并在其底部设置滤网11；
(5)将待灌裂隙岩体2、混凝土衬砌3、应力传感器5形成的整体构件小心缓慢放入钢筒1，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体2外表面与钢筒1内表面的空隙；
(6)加工密封盖板14，并采用螺栓连接等方法将密封盖板14与厚壁钢筒1紧密连接，加工密封盖板14上表面开设预留灌浆孔和数据传输线孔。
(7)将数据传输线6从数据传输线孔引出。
(8)通过密封盖板14上部预留灌浆孔，从待灌裂隙岩体2上表面钻设灌浆孔柱至预定深度。
(9)将灌浆管路9一端放入灌浆孔一定深度，并在孔顶部位置牢固固定且密封。
(10)将数据传输线6与采集单元7进行连接；水量量测装置13置于排水管12下方。
(11)打开灌浆管路9上的阀门15，灌浆泵8开始小流量灌注水泥浆，流量计10、采集单元7、水量量测装置13开始测量。
(12)灌浆压力达到预定压力，且单位时间内的水泥浆液灌注量小于设定值后，再灌注30min，关闭灌浆管路9上的阀门15，停止灌浆。
(13)通过流量计10，绘制灌入水泥浆液量-时间关系曲线。
(14)间隔一定时间采集单元7、水量量测装置13进行定时测量，至少测定24小时后停止测量，绘制各应力传感器5应力值-时间、收集水量-时间关系曲线。
(15)拆除模型。
采用以下步骤，可对停止测量后的不同时间点衬砌测点预压力进行预测，并形成衬砌测点应力随时间长期变化曲线：
(16)在浆液压力及衬砌预应力作用下，待灌裂隙岩体2中未灌入浆液的连通裂隙将待灌裂隙岩体2中的水缓慢排出，是混凝土衬砌3预应力衰减的主要因素。认为排水体积ΔQ与灌后待灌裂隙岩体2体积变形量ΔV之比与衬砌上预压力改变量ΔP和灌后最大预压力ΔPm存在一定的关系，用ΔQ/ΔV＝α(ΔP/ΔPm)表示。
(17)将各传感器应力值-时间、收集水量-时间关系曲线带入(16)中的算式，可计算得到不同传感器的比例系数α。
(18)根据式
计算不同时间点t的ΔQ。水力坡降
Δt为时间增量，ρ为水的密度，g为重力加速度，l为裂隙扩散方向上的长度。
(19)根据式ΔV＝ΔPmhlb/E，b＝lcosθ-dsinθ，计算不同时间点的ΔV。h为灌浆圈厚度，θ为裂隙与水平方向的夹角，E为围岩等效变形模量。
(20)将不同传感器的比例系数α、ΔV、ΔQ带入(16)中的算式，可计算衬砌上预压力改变量ΔP，衬砌上的预压力P＝ΔPm-ΔP。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明采用室内试验的方法确定混凝土衬砌预压力最大值，可获取随时间的变化规律，通过计算分析能够定量确定试验期外不同运行时间点的预压力值。
(2)与目前常用的数值分析、工程类比方法相比，试验代表性好、成本低，可针对不同的条件开展多条件、多工况模拟。
(3)试验成果对隧洞混凝土衬砌设计提供直接参考。
附图说明
图1是本发明实施例试验装置的结构示意图；
图2是本发明实施例围岩及衬砌模拟系统俯视图；
图3是本发明实施例典型测点得到的衬砌预压力随时间变化关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1、2所示，一种混凝土衬砌预压力测定试验装置，包括：围岩及衬砌模拟系统、灌浆系统和量测系统；
围岩及衬砌模拟系统用于模拟隧洞围岩灌浆圈(即待灌裂隙岩体)和灌浆圈外的岩体、混凝土衬砌。
灌浆系统用于将浆液灌入围岩灌浆圈。
量测系统用于测量围岩及衬砌模拟系统试验的预压力、灌浆量和排水量。
围岩及衬砌模拟系统包括：钢筒1、待灌裂隙岩体2、混凝土衬砌3、滤网11和密封盖板14。
钢筒1为圆柱形，用于模拟灌浆圈外岩体，其为刚性体，厚度可设为8-10mm；
待灌裂隙岩体2为圆管型，可用实际工程中的岩块加工而成，也可用混凝土进行模拟，用混凝土进行模拟时，不同开度的裂隙可用平行板间放置不同直径的金属丝控制，可在混凝土浇筑前埋设加热可融石蜡，混凝土浇筑后对石蜡进行融化冲洗而形成裂隙，也可采用3D打印技术进行成型。
混凝土衬砌3为圆管型，待灌裂隙岩体2设置完成后，铺设模板进行浇筑形成。
钢筒1底部连接排水管12，钢筒1底部还铺设滤网11，滤网11可采用土工织物或小网眼金属网片。
钢筒1、待灌裂隙岩体2和混凝土衬砌3的高度相同。
待灌裂隙岩体2的外壁直径略小于钢筒1的内壁直径，待灌裂隙岩体2的内壁直径略大于混凝土衬砌3的外壁直径。混凝土衬砌3放入待灌裂隙岩体2的内壁，待灌裂隙岩体2放入钢筒1内，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体2外壁与钢筒1内壁之间的空隙。
所述密封盖板14盖住钢筒1的开口并通过螺栓连接密封，
密封盖板14表面开有灌浆孔和数据传输线孔，灌浆孔对应待灌裂隙岩体2，数据传输线6孔对应混凝土衬砌3的中心，灌浆孔根据试验需要可布置多个。
待灌裂隙岩体2上表面灌浆孔的位置向下钻灌浆孔柱4，灌浆孔柱4高度小于待灌裂隙岩体2高度。
灌浆系统，包括：灌浆泵8、灌浆管路9和阀门15；
灌浆管路9一端连接灌浆泵8，另一端插入灌浆孔并对准灌浆孔柱4，灌浆管路9中设有阀门15。
量测系统，包括：应力传感器5、数据传输线6、采集单元7、流量计10和水量量测装置13；
应力传感器5，设置在混凝土衬砌3内壁上，可设置多个，用于量测混凝土衬砌3预压力。
数据传输线6，穿过数据传输线孔，连接应力传感器5与采集单元7，采集单元7用于采集应力传感器5的量测值。
流量计10，设置在灌浆管路9上，量测灌浆量。
水量量测装置13，设置在排水管12下部，用于量测灌浆过程中及灌浆结束后的排水量。
上述一种混凝土衬砌预压力测定试验装置的试验方法包括以下步骤：
(1)待灌裂隙岩体2加工成型为空心圆柱体。可用实际工程中的岩块削磨加工；可采用平行板间置不同直径金属丝或提前埋设加热可融石蜡等模拟不同性状的裂隙，混凝土浇筑后抽取金属丝、加热融化冲洗石蜡等方法浇筑混凝土材料的待灌裂隙岩体2，然后再加工成型为空心圆柱体；也可采用3D打印技术加工成型。
(2)在待灌裂隙岩体2内部铺设模板，采用砂浆、水泥净浆或混凝土浇筑混凝土衬砌3，待7天后拆除模板。
(3)对混凝土衬砌3进行保温、保湿养护，达到强度要求后，在混凝土衬砌3内表面粘结应力传感器5。
(4)加工带有排水管12的钢筒1，并在其底部设置滤网11(土工织物或小网眼金属网片)。
(5)将待灌裂隙岩体2、混凝土衬砌3、应力传感器5等形成的整体构件小心缓慢放入钢筒1，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体2外表面与钢筒1内表面的孔隙。
(6)加工密封盖板14(上部预留灌浆孔、数据传输线6孔)，并采用螺栓连接等方法将密封盖板14与厚壁钢筒1紧密连接。
(7)将数据传输线6从密封盖板14预留的数据传输线6孔引出。
(8)通过密封盖板14上部预留灌浆孔，从待灌裂隙岩体2上表面小心钻设灌浆孔至预定深度，宜采用回转钻进的方法。
(9)将灌浆管路9一端放入灌浆孔一定深度，并牢固固定；灌浆管路9上设置阀门15、流量计10。
(10)将数据传输线6与采集单元7进行连接；水量量测装置13置于排水管12下方。
(11)打开灌浆管路9上的阀门15，灌浆泵8开始小流量灌注水泥浆，流量计10、采集单元7、水量量测装置13开始测量。
(12)灌浆压力达到预定压力(通常为1-6MPa)，且单位时间内的水泥浆液灌注量小于设定值(通常为0.1-2L/min)后，再灌注一定时间(通常为30min)，关闭灌浆管路9上的阀门15，停止灌浆。
(13)通过流量计10，绘制灌入水泥浆液量-时间关系曲线。
(14)间隔一定时间采集单元7、水量量测装置13进行定时测量，至一定时间(至少测定24小时，5-7天较为适宜)后停止测量，绘制各应力传感器5应力值-时间、收集水量-时间关系曲线。
(15)拆除模型。
采用以下步骤，可对停止测量后的不同时间点衬砌测点预压力进行预测，并形成衬砌测点预压力随时间长期变化曲线：
(16)在浆液压力及衬砌预压力作用下，待灌裂隙岩体2中未灌入浆液的连通裂隙将待灌裂隙岩体2中的水缓慢排出，是混凝土衬砌3预压力衰减的主要因素。根据理论分析，本方法认为排水体积ΔQ与灌后待灌裂隙岩体2体积变形量ΔV之比与衬砌上预压力改变量ΔP和灌后最大预压力ΔPm存在一定的关系，可用ΔQ/ΔV＝α(ΔP/ΔPm)表示，其中α为小于1的比例系数；也可用其他方程表示。
(17)将各传感器应力值-时间、收集水量-时间关系曲线带入(16)中的算式，可计算得到不同传感器的比例系数α。
(18)根据式
计算不同时间点t的ΔQ。水力坡降
Δt为时间增量，ρ为水的密度，g为重力加速度，l为裂隙扩散方向上的长度。
(19)根据式ΔV＝ΔPmhlb/E，b＝lcosθ-dsinθ，计算不同时间点的ΔV。h为灌浆圈厚度，θ为裂隙与水平方向的夹角，E为围岩等效变形模量。
(20)将不同传感器的比例系数α、ΔV、ΔQ带入(16)中的算式，可计算衬砌上预压力改变量ΔP，衬砌上的预压力P＝ΔPm-ΔP。
本实施例中，对于试验模型，相应可灌裂隙开度为0.3mm，不可灌裂隙开度分别为0.1mm、0.075mm、0.05mm，可灌裂隙与不可灌裂隙的迹线长度均为10cm，与水平方向的夹角为θ约为15°，裂隙在扩展该方向上宽度为35cm，三个模型的高度均为40cm。完整混凝土弹性模量25GPa，泊松比0.2。实施例中典型测点得到的衬砌预压力随时间变化关系如图3所示。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种混凝土衬砌预压力测定试验装置的试验方法，其特征在于：
所述混凝土衬砌预压力测定试验装置包括：围岩及衬砌模拟系统、灌浆系统和量测系统；
围岩及衬砌模拟系统用于模拟隧洞围岩灌浆圈和灌浆圈外的岩体、混凝土衬砌；
灌浆系统用于将浆液灌入围岩灌浆圈；
量测系统用于测量围岩及衬砌模拟系统的预压力、灌浆量和排水量；
钢筒(1)、待灌裂隙岩体(2)、混凝土衬砌(3)、滤网(11)和密封盖板(14)；
钢筒(1)为圆柱形，用于模拟灌浆圈外岩体，其为刚性体；
待灌裂隙岩体(2)为圆管型，可用实际工程中的岩块加工而成，也可用混凝土进行模拟，用混凝土进行模拟时，不同开度的裂隙用平行板间放置不同直径的金属丝控制，在混凝土浇筑前埋设加热可融石蜡，混凝土浇筑后对石蜡进行融化冲洗而形成裂隙，采用3D打印技术进行成型；
混凝土衬砌(3)为圆管型，待灌裂隙岩体(2)设置完成后，铺设模板进行浇筑形成；
钢筒(1)底部连接排水管(12)，钢筒(1)底部还铺设滤网(11)，滤网(11)采用土工织物或小网眼金属网片；
钢筒(1)、待灌裂隙岩体(2)和混凝土衬砌(3)的高度相同；
待灌裂隙岩体(2)的外壁直径略小于钢筒(1)的内壁直径，待灌裂隙岩体(2)的内壁直径略大于混凝土衬砌(3)的外壁直径；混凝土衬砌(3)放入待灌裂隙岩体(2)的内壁，待灌裂隙岩体(2)放入钢筒(1)内，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体(2)外壁与钢筒(1)内壁之间的空隙；
所述密封盖板(14)盖住钢筒(1)的开口并通过螺栓连接密封，
密封盖板(14)表面开有灌浆孔和数据传输线孔，灌浆孔对应待灌裂隙岩体(2)，数据传输线(6)孔对应混凝土衬砌(3)的中心，灌浆孔根据试验需要布置多个；
从待灌裂隙岩体(2)上表面灌浆孔的位置向下钻灌浆孔柱(4)，灌浆孔柱(4)高度小于待灌裂隙岩体(2)高度；
灌浆系统，包括：灌浆泵(8)、灌浆管路(9)和阀门(15)；
灌浆管路(9)一端连接灌浆泵(8)，另一端插入灌浆孔一定深度，并牢固固定，灌浆管路(9)中设有阀门(15)；
量测系统，包括：应力传感器(5)、数据传输线(6)、采集单元(7)、流量计(10)和水量量测装置(13)；
应力传感器(5)，设置在混凝土衬砌(3)内壁上，设置多个，用于量测混凝土衬砌(3)预压力；
数据传输线(6)穿过数据传输线孔，连接应力传感器(5)与采集单元(7)，采集单元(7)设置在围岩及衬砌模拟系统之外，用于采集应力传感器(5)的量测值；
流量计(10)设置在灌浆管路(9)上量测灌浆量；
水量量测装置(13)设置在排水管(12)下部，用于量测灌浆过程中及灌浆结束后的排水量；
所述试验方法，包括以下步骤：
(1)待灌裂隙岩体(2)加工成型为圆管型；
(2)在待灌裂隙岩体(2)内部铺设模板，采用砂浆、水泥净浆或混凝土浇筑混凝土衬砌(3)，待7天后拆除模板；
(3)对混凝土衬砌(3)进行保温、保湿养护，达到强度要求后，在混凝土衬砌(3)内表面粘结应力传感器(5)；
(4)加工带有排水管(12)的钢筒(1)，并在其底部设置滤网(11)；
(5)将待灌裂隙岩体(2)、混凝土衬砌(3)、应力传感器(5)形成的整体构件小心缓慢放入钢筒(1)，并采用密封剂密封待灌裂隙岩体(2)外表面与钢筒(1)内表面的空隙；
(6)加工密封盖板(14)，并采用螺栓连接方法将密封盖板(14)与厚壁钢筒(1)紧密连接，加工密封盖板(14)上表面开设预留灌浆孔和数据传输线孔；
(7)将数据传输线(6)从数据传输线孔引出；
(8)通过密封盖板(14)上部预留灌浆孔，从待灌裂隙岩体(2)上表面钻设灌浆孔柱至预定深度；
(9)将灌浆管路(9)一端放入灌浆孔一定深度，并在孔顶部位置牢固固定且密封；
(10)将数据传输线(6)与采集单元(7)进行连接；水量量测装置(13)置于排水管(12)下方；
(11)打开灌浆管路(9)上的阀门(15)，灌浆泵(8)开始小流量灌注水泥浆，流量计(10)、采集单元(7)、水量量测装置(13)开始测量；
(12)灌浆压力达到预定压力，且单位时间内的水泥浆液灌注量小于设定值后，再灌注30min，关闭灌浆管路(9)上的阀门(15)，停止灌浆；
(13)通过流量计(10)，绘制灌入水泥浆液量-时间关系曲线；
(14)间隔一定时间采集单元(7)、水量量测装置(13)进行定时测量，至少测定24小时后停止测量，绘制各应力传感器(5)应力值-时间、收集水量-时间关系曲线；
(15)拆除模型，对停止测量后的不同时间点衬砌测点预压力进行预测，并形成衬砌测点预压力随时间长期变化曲线：
(16)在浆液压力及衬砌预压力作用下，待灌裂隙岩体(2)中未灌入浆液的连通裂隙将待灌裂隙岩体(2)中的水缓慢排出，是混凝土衬砌(3)预压力衰减的主要因素；认为排水体积ΔQ与灌后待灌裂隙岩体(2)体积变形量ΔV之比与衬砌上预压力改变量ΔP和灌后最大预压力ΔPm存在一定的关系，用ΔQ/ΔV＝α(ΔP/ΔPm)表示，α为传感器的比例系数；
(17)将各传感器应力值-时间、收集水量-时间关系曲线带入步骤(16)中的算式，计算得到不同传感器的比例系数α；
(18)根据式
计算不同时间点t的ΔQ；水力坡降
Δt为时间增量，ρ为水的密度，g为重力加速度，l为裂隙扩散方向上的长度，v表示：岩体泊松比；
(19)根据式ΔV＝ΔPmhlb/E，b＝l cosθ-d sinθ，计算不同时间点的ΔV；h为灌浆圈厚度，θ为裂隙与水平方向的夹角，E为围岩等效变形模量，d表示：裂隙的开度；
(20)将不同传感器的比例系数α、ΔV、ΔQ带入步骤(16)中的算式，可计算衬砌上预压力改变量ΔP，衬砌上的预压力P＝ΔPm-ΔP。
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