CN110823612A - 隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，包括反力密封框架，反力密封框架卧式布设，包括位于两侧的盖板，以及设置在盖板之间的多榀反力框架，每榀反力框架的内沿上圆周布设的多个油缸，且油缸通过垫块设置在反力框架上，通过调整垫块改变油缸的设置位置，以实现适合不同形状隧道的应力加载；盖板上均设置有观测口，且盖板和反力框架之间、反力框架之间均为密封连接；至少一榀反力框架上设置有注水加压口，通过注水加压口与注水加压系统连接，以模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程；各个油缸由液压加载系统提供液压动力源及变频调节流量，实现应力的加载与保持。
Description
技术领域
本公开属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
交通运输事业的建设与发展是现代发展的一项重要内容。而我国是一个以山地为主的国家，交通运输线路经常会穿过江河湖泊、山川丘陵、大小港湾等障碍，因此隧道建设在交通建设中不可避免且十分重要。修建隧道可有效缩短交通线路，使线形得到改善，从而达到缩短工程建设时间，节省人力财力，提高车辆行驶速度，获得更好的经济与社会效益。
在山岭隧道建设中，隧道渗水潮湿问题一直存在，是影响隧道建设和长久使用的难题。若防排水系统设计存在问题或施工不良，会使隧道出现渗漏水现象，水压以及水的腐蚀会破坏隧道衬砌结构，降低衬砌的承载能力，损坏隧道防水材料，从而使隧道内路面湿滑，严重影响行车安全，降低隧道使用寿命。除此之外，隧道受地应力的影响，也会使围岩和衬砌结构遭到破坏，从而损坏隧道防水材料。因此，为了揭示在高地应力高水压条件下防水隧道衬砌防水性能和抗变形的能力并研发出更好的隧道防水材料，使之能更好地承受水的腐蚀以及水压、地应力的影响，需要一种能够真实模拟隧道衬砌结构承受高地应力高水压的防水性能试验系统。
据发明人了解，目前有现有技术对此方面进行了研究，如申请号为201810386841.9的中国发明专利，公开了《一种隧道三维模型加载试验台及用于隧道病害观察的试验方法》，申请号为201510149014.4的中国发明专利，公开了《一种隧道衬砌结构力学形状模拟试验装置的加载设备》，但是，以上发明提供的隧道模型均无法同时加载高地应力、高水压及模拟隧道围岩、衬砌及二者之间防水卷材的不均匀受压，而且受模型限制，无法模拟直墙拱形、三心拱型、圆形隧道等多种隧道断面类型，试验装置具有很大的局限性，也无法方便直接地观测试验过程，不能很好地研究隧道围岩二衬耦合防水性能，这是目前隧道模型试验存在的不足。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，本公开能够更加精确地模拟隧道承受高地应力与高水压的真实状况，可通过调整油缸垫块改变隧道模型形状，同时，设置有观测口，能够观察并记录试验过程。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
隧道衬砌结构防水性能测试系统，包括反力密封框架装置、液压加载系统、高压注水加载系统和测试系统。其中：
所述反力密封框架卧式布设，包括位于两侧的盖板，以及设置在盖板之间的多榀反力框架，每榀反力框架的内沿上圆周布设的多个油缸，且油缸通过垫块设置在反力框架上，通过调整垫块改变油缸的设置位置，以实现适合不同形状隧道的应力加载；
所述盖板上均设置有观测口，且盖板和反力框架之间、反力框架之间均为密封连接；
所述至少一榀反力框架上设置有注水加压口，通过注水加压口与注水加压系统连接，以模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程；
所述各个油缸由液压加载系统提供液压动力源及变频调节流量，实现应力的加载与保持；
所述反力密封框架的若干测试点上分别设置有衬砌应力、渗透水压力、应变和位移测试单元，以实现隧道衬砌结构防水性能参数的采集。
作为进一步的限定，所述反力框架为环形。
作为进一步的限定，所述反力框架与盖板之间利用密封条密封。
作为进一步的限定，所述观测口呈圆形，设置于各盖板的中心位置。
作为进一步的限定，所述液压加载系统包括多组液压动力源，每组液压动力源连接一个油缸，实现液压缸进行同步加载或，联动或分动加载。
作为进一步的限定，所述油缸活塞上设置有位移传感器，油路上的压力和油缸活塞加载位移实时通过计算机全数字伺服控制系统检测，实现对液压油缸的伺服控制。
作为进一步的限定，所述性能测试系统还包括声发射检测装置，实时检测模型试件完整性及损伤程度。
本系统的工作方法，包括以下步骤：
在反力密封框架内依次做好围岩、初次衬砌、防渗材料和二次衬砌结构，在反力密封框架两端加装盖板进行密封，在测试点设置衬砌应力、渗透水压力、应变和/或位移测试单元，向注水加压口和各个油缸施加不同水压和油压，构造不同的加载条件，根据衬砌应力、渗透水压力、应变和位移测试单元的检测数据，确定隧道衬砌防水性能。
作为可选择的实施方式，在初衬与二次衬砌之间设置有防水卷材。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
液压加载系统提供多组液压动力源，可控制多个双作用液压缸进行同步加载，提供最大10Mpa的高地应力，进行高地应力下隧道衬砌防水性能试验。
注水加压系统通过反力密封框架下侧的注水口可向试验模型表面或者内部施加水压，施加的水压力可达10MPa，进行高水压下隧道衬砌防水性能试验。
地应力和水压可同时施加，进行高地应力和高水压下隧道衬砌防水性能试验。
可改变不同油缸应力加载大小，进行不均匀应力加载下隧道衬砌防水性能试验。
根据油缸垫块调整油缸加压位置，可实现对不同形状和尺寸模型结构的加载，使该试验系统适用于直墙拱形、三心拱形或圆形断面隧道衬砌结构受力防水性能试验。
在反力密封框架的前后反力盖板处设有圆形观测口，可使试验人员在试验前后进入隧道内观察及录制试验现象。
反力密封框架由高强度钢板焊接加工而成，通过高强度螺栓及密封条形成整体结构，结构稳定，密封性能好。
本公开试验条件全面、系统结构美观、简便合理、操作便捷、实用性强，可广泛应用于大埋深高地应力隧道围岩与防水衬砌耦合结构承载受力状态和防水性能的试验中，为实际高地应力高水压隧道防水稳定性提供试验支撑。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统反力结构示意图。
图2为隧道衬砌模型剖面示意图。
图3为隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统图。
其中：1-前反力密封盖板，2-高精度液压推力油缸，3-环形反力框架，4-前后盖板拉杆，5-后反力密封盖板，6-注水加压口，7-底部支架，8-圆形观测口，9-高强度螺栓，10-密封胶。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统，用以揭示在高地应力高水压条件下防水隧道衬砌防水性能和抗变形的能力，该系统包括：
反力密封框架装置，可满足1/5相似比尺模拟试验，设计能承受10MPa地应力和10MPa水压密封，共计20MPa的应力加载和10MPa的水压密封。
液压加载系统，工作压力最高可达50MPa，由液压泵提供液压动力源及变频调节流量，通过伺服阀调节压力，控制双作用液压缸进行加载和保持。
注水加压系统，与注水加压口连接，主要包括含硬件及软件控制系统，硬件系统包含高压水泵、稳压系统、气压泵及储气罐、高压注水连接管路及接头、阀块等，能模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程，可实现模型内水压力的恒定，并保证突水瞬间压力的迅速补给和大流量突涌水。
测试系统，包括衬砌应力计、渗透水压力、应变、位移等，可准确测得相关应力、应变、位移等数据。
隧道模型最大静空间直径为2000mm，隧道轴向长度(厚度方向)为2000mm。
反力密封框架装置为拱形反力自反力框架结构，通过底部支架卧式放置在试验室地面上。反力密封框架装置由中部两榀环形反力框架、前后反力密封盖板、高强螺栓、液压油缸、注水加压接口等构成。环形反力框架、前后反力密封盖板均由高强度钢板焊接加工而成，通过高强螺栓与前后盖板拉杆连接形成整体结构。
液压加载系统，提供10组液压动力源，可控制10个双作用液压缸进行同步加载，10组模块根据设备布局，可做联动或分动加载。
优选地，反力密封框架装置前后盖板各设有直径1500mm圆形观测口，可供试验人员进入观察岩体是否刺穿防水卷材及隧道试件损伤情况。
优选地，反力密封框架周边均匀安装嵌入式油缸，施加地应力，单榀10个油缸，共用20个油缸加载，单个油缸加载最大吨位900t。通过控制不同油缸施加不同大小应力，可模拟隧道承受不均匀应力情况。
进一步地，油缸内部可通过垫块调整液压油缸的位置，可模拟直墙拱形、三心拱型、圆形隧道等多种隧道断面类型，实现对不同形状和尺寸模型结构的加载。
优选地，在油缸活塞安装高精度位移传感器。
优选地，在装置下侧设有注水加压口。
优选地，注水加压系统可实现在试验模型表面或内部施加水压，施加的水压力可达10MPa。
优选地，加入声发射检测装置，通过声发射信号实时检测模型试件完整性及损伤程度。
试验时，在反力框架内依次做好围岩、初衬、防渗材料和二次衬砌结构。
其中，防渗材料如防水卷材等铺设在初衬与二次衬砌之间。
优选地，防水卷材搭接宽度150mm，满足隧道防水卷材搭接规范。
为确保自平衡框架系统结构的强度、刚度和密封性，采用有限元进行了设计校核分析。
在计算校核后可知，单纯施加10MPa地应力荷载情况下，最大变形仅0.0658mm，最大应力为86.9MPa，满足试验刚度和强度要求；施加10MPa地应力+10MPa水压荷载，共20MPa荷载情况下，最大变形仅0.1316mm，最大应力为173.8MPa，满足试验刚度和强度要求。
作为典型的实施例，如图1-3所示，本实施例公开的反力密封框架装置由中部两榀环形反力框架3、前后反力密封盖板1、5通过高强螺栓9连接成整体结构，均由高强度钢板焊接加工而成，通过支架7卧式放置在试验室地面上，具体试验方法如下：
试验时试验人员在框架周围均匀安装嵌入式液压油缸2并在油缸活塞处安装高精度位移传感器，根据试验方案所要求的隧道断面类型，调整油缸垫块位置改变隧道形状及尺寸，使隧道模型符合试验要求。进入两榀环形反力框架3内依次将围岩材料、初衬材料、防渗卷材和二衬材料均匀布置在反力框架内部，并在各材料内部安装应力计，待内部所有材料凝固稳定后，在框架两端加装盖板并通过高强度螺栓和密封条进行密封，连接成整体结构。将液压油缸与液压加载系统连接，注水加压口与高压注水加载系统连接，各应力计及位移计与采集箱和电脑连接。试验系统布置完成后，液压加载系统提供10组液压动力源，控制10个双作用液压缸进行同步加载，计算机全数字伺服控制系统对油路上的压力和油缸活塞加载位移实时检测，对液压油缸2进行伺服控制，在试验过程中，如果出现电机过载、过流、油路漏油、压力变送器故障、调压故障等问题时，该系统会及时给出故障信息和应对措施，确保试验安全和顺利进行。施加地应力的同时，高压注水加载系统通过反力框架下侧的注水加压口6向试验模型内部施加水压，最高可达10MPa。试验过程中相关数据信息及时采集并通过电脑反馈。试验过程及结束后，试验人员可通过圆形观测口观察及录制试验现象。试验完成后，将采集到的数据信息处理，将模型试件清理干净下次可直接使用。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (9)
1.隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统，其特征是：包括反力密封框架，所述反力密封框架卧式布设，包括位于两侧的盖板，以及设置在盖板之间的多榀反力框架，每榀反力框架的内沿上圆周布设的多个油缸，且油缸通过垫块设置在反力框架上，通过调整垫块改变油缸的设置位置，以实现适合不同形状隧道的应力加载；
所述盖板上均设置有观测口，且盖板和反力框架之间、反力框架之间均为密封连接；
所述至少一榀反力框架上设置有注水加压口，通过注水加压口与注水加压系统连接，以模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程；
所述各个油缸由液压加载系统提供液压动力源及变频调节流量，实现应力的加载与保持；
所述反力密封框架的若干测试点上分别设置有衬砌应力、渗透水压力、应变和位移测试单元，以实现隧道衬砌结构防水性能参数的采集。
2.如权利要求1所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统，其特征是：所述反力框架为环形。
3.如权利要求1所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，其特征是：所述反力框架与盖板之间利用密封条密封。
4.如权利要求1所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，其特征是：所述观测口呈圆形，设置于各盖板的中心位置。
5.如权利要求1所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，其特征是：所述液压加载系统包括多组液压动力源，每组液压动力源连接一个油缸，实现液压缸进行同步加载或，联动或分动加载。
6.如权利要求1所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，其特征是：所述油缸活塞上设置有位移传感器，油路上的压力和油缸活塞加载位移实时通过计算机全数字伺服控制系统检测，实现对液压油缸的伺服控制。
7.如权利要求1所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统与方法，其特征是：所述性能测试系统还包括声发射检测装置，实时检测模型试件完整性及损伤程度。
8.如权利要求1-7中任一项所述的隧道围岩衬砌复合结构受力防水试验系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
在反力密封框架内依次做好围岩、初次衬砌、防渗材料和二次衬砌结构，在反力密封框架两端加装盖板进行密封，在测试点设置衬砌应力、渗透水压力、应变和/或位移测试单元，向注水加压口和各个油缸施加不同水压和油压，构造不同的加载条件，根据衬砌应力、渗透水压力、应变和位移测试单元的检测数据，确定隧道衬砌防水性能。
9.如权利要求8所述的方法，其特征是：在初衬与二次衬砌之间设置有防水卷材。
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