CN110823613B - 隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统与方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统及方法，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，液压加载系统，包括液压站和控制台，所述液压站与反力框架中的液压油缸连接，控制台对液压油缸的给油量和回油量进行控制；高压注水加载系统，包括高压水供给机构，通过高压注水连接管路连接注水加压接口，能模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程，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突涌水；测试系统包括衬砌应力计、渗透水压力、应变以及位移传感器，以进行实验过程中多物理量的实时监测。

Description

隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统与方法

技术领域

本公开属于隧道衬砌受力防水性能试验技术领域，具体涉及一种隧道围岩与衬砌耦合结构承载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。

随着我国城市化进程的快速发展，矿山、能源、水电、交通、国防等深部地下工程越来越多，地下工程的防水问题一直为广大技术人员所关注。对于高水头富水头隧道，由于长期受地下水的浸泡和腐蚀，防水性能至关重要。

模型试验在隧道工程研究领域成为不可或缺的重要研究手段，在满足一定相似原理的条件下，模型试验相对于现场测试及数学模型可以更为便捷、全面、直观、准确地反映出围岩对隧道支护体系相互作用下的力学特征，对探究地下工程机理，以及工程实际起到指导作用。

由于隧道工程地质条件及隧道结构的差异，防水及抗压设计条件均不相同，因此常需进行大量的模拟试验，以选择合适的衬砌材料和防水材料。目前，大部分工程做的复合衬砌防水没有达到很好的效果，行业内常有“十隧九漏”的说法。

隧道是一个长条形地下建筑物，沿线工程地质条件复杂，施工过程中经常会遇到岩溶或断层破碎带等富水构造，开展原位试验是非常困难的，为揭示隧道围岩、初衬、防水卷材和二次衬砌整体结构在地应力和水压综合作用下的受力特性和防水性能，因此，有必要研发隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统为工程实践提供有力支撑。

目前，针对隧道衬砌的研究，已开展了大量的研究工作，但是据发明人了解，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。综上，目前现有隧道衬砌性能试验装置，还存在以下不足之处：(1)内部衬砌的试件形状和尺寸比较单一，通常只能加载环形、拱形和正方形中的一种；(2)装置加载荷载的种类比较单一，无法同时进行不同组合的水压和地应力的加载；(3)试验尺度小，没有真正考虑隧道围岩、初衬、二次衬砌及防水卷材的真实结构和受力。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统与方法，本公开考虑试验条件全面、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。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统，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：

所述反力密封框架装置，包括前、后反力密封盖板，所述前、后反力密封盖板之间设置有至少两榀加载反力框架，盖板上轴向贯穿设置有盖板拉杆，加载反力框架周边嵌入多个液压油缸，所述加载反力框架内设置有至少一注水加压接口，所述加载反力框架之间通过密封圈进行密封。

所述液压加载系统，包括液压站和控制台，所述液压站与反力框架中的液压油缸连接，控制台对液压油缸的给油量和回油量进行控制；

所述高压注水加载系统，包括高压水供给机构，通过高压注水连接管路连接注水加压接口，能模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程，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突涌水；

所述测试系统包括衬砌应力计、渗透水压力、应变以及位移传感器，以进行实验过程中多物理量的实时监测。

作为可选择的实施方式，所述液压油缸的位置由加载反力框架内设置有调整垫块。

作为可选择的实施方式，所述液压油缸的活塞安装有位移传感器，油路上的压力和油缸活塞加载位移实时通过控制台进行伺服控制。

作为可选择的实施方式，所述液压油缸的推力板根据试件的不同形状进行更换，实现对不同形状和尺寸模型结构的加载。

作为可选择的实施方式，所述高压水供给机构包括储存箱，所述储存箱通过高压注水连接管连接高压水泵，所述高压注水连接管的另一端与注水加压接口连通，所述注水加压接口连接的高压注水连接管设置在加载反力框架底部，与内部孔腔连通。

作为可选择的实施方式，所述前、后反力密封盖板中间留有空洞，以在不进行模型拆卸情况下进行内部试件的安装。

本系统的工作方法，包括以下步骤：

在加载反力框架内依次做好围岩、初次衬砌、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。在加载反力框架两端加装盖板并进行密封，通过施加不同油压和水压，改变不同的加载条件，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。

作为可选择的实施方式，在模型内部直接浇筑时，前后盖板不用进行拆卸，根据试验尺寸要求制作各层合适的模板，进行围岩的浇筑，在围岩冷却后拆除其模板，然后安装初衬的模板，进行初衬的浇筑，待初衬冷却后拆除其模板。

作为可选择的实施方式，在初衬的表面进行雨虹防渗膜的粘贴，在接缝处要有10～20mm的搭接，在进行二次衬砌的模板安装，安装完成后进行浇筑，待其冷却后拆除模板。

作为可选择的实施方式，通过调整高压水供给机构和液压加载系统的水压和油压，以实现不同组合的地应力和水压同时加载。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开提供的试验系统是大尺度模型，可以最大程度还原隧道围岩受力环境，弥补了大尺度高相似度的空白。

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，还可以自由调整试件的大小。

该试验系统还可以实现不同组合的地应力和水压同时加载。

该试验系统中的试件可以检验多层防水效果，以应对复杂地质条件下的隧道防水，在不同的加载条件下，能够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。

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是本公开的隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统整体示意图；

图2是本公开的中间环形加载反力框架带衬砌示意图；

其中，1为前后反力密封盖板；2为液压油缸；3为中间环形反力框架；4为注水加压接口；5为前反力密封盖板；6为前后盖板拉杆；7为油缸口；8为反力架密封槽；9为油缸推力板；10为围岩；11为初次衬砌；12为防渗膜；13为二次衬砌。

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。

在本实施例中，参见图1和图2所示，一种测试隧道衬砌受力防水性能的试验装置，其尺寸比较大，试件的形状和大小多样。

本装置包括反力密封框架装置、液压加载系统、高压注水加载系统、测试系统等构成。

其中，反力密封框架装置包括前后反力密封盖板1和5、两榀中间加载反力框架3、前后盖板拉杆6、液压油缸2、注水加压接口4和密封圈8。前后反力密封盖板1和5之间设置有加载反力框架3，盖板上轴向贯穿设置有前后盖板拉杆6，加载反力框架3周边嵌入多个液压油缸2，加载反力框架3内设置有一注水加压接口4，加载反力框架之间通过密封圈进行密封。

中间环形加载反力框架3是由钢板焊接而成，两榀反力框架3之间有密封圈8加以密封，然后用高强螺栓连接。

反力密封框架装置中环形反力框架、前后反力密封盖板均由高强度钢板焊接加工而成，通过高强螺栓连接形成整体结构，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。

在本实施例中，反力密封框架装置中的中间加载反力框架，其周边安装嵌入式液压油缸，单榀9个油缸，共用18个油缸加载，单个油缸加载最大吨位900t；最大注水加压可达10MPa。内部可通过调整垫块液压油缸的位置，实现对不同形状和尺寸模型结构的加载。

反力密封框架装置为拱形反力自反力框架结构，卧式放置在实验室地面上。

反力密封框架装置是试验模型制作和试验的空间，能够对试验模型加载地应力和高压水，满足1/5相似比尺模拟试验，在本实施例中，隧道最大净空间为2000mm×2000mm，隧道轴向长度(厚度方向)为2000mm，试件最大尺寸：2800mm×2800mm×2000mm。

液压加载系统中的高精度推力油缸及位移传感器包括高精度推力油缸，活塞安装高精度位移传感器，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。

液压加载系统包括液压站和电脑控制台，伺服液压加载控制系统设于基座的一侧，通过高压油管与中间反力框架中的液压油缸连接，电脑控制台控制液压站对其他系统中油缸的给油量和回油量进行控制，其中液压加载系统通过高压油管与油缸2连接。

液压加载系统的工作压力最高可达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，控制双作用液压油缸2进行加载和保持。

加载系统提供9组液压动力源，可控制9个双作用液压缸进行同步加载，9组模块根据设备布局，可做联动或分动加载(联动模块根据布局固定)。包括衬砌应力计、渗透水压力、应变和位移传感器等，这些传感器设置在围岩和衬砌的内外表面及其内部，实现整个实验过程多物理量的实时监测和采集分析。

该系统采用工业控制计算机和可编程逻辑控制器(PLC)控制整套设备的运转。PLC负责数据的采集和运算以控制液压泵与伺服阀并同时监控各个元件的运转状态，工业控制计算机负责数据的处理、显示以及人机交互操作。

其中高精度推力油缸2的活塞安装高精度位移传感器，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2的伺服控制。采用位移控制方式来进行联动或分动加载，同步控制误差±1mm，荷载集度偏差：±1％；采用高精度外置式位移传感器，位移测量分辨力：0.007mm，位移加载精度：±0.5％，加载速率：0-35mm/min。

位移方式：运行同步控制误差±1mm，定位误差0.5mm，辅助压力误差以设定上下限为准(位移数值小则压力大)。

高压注水加载系统，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、高压注水连接管、接头及水箱等。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。高压注水连接管的一端和所述水箱连，高压水泵安装在所述高压注水连接管上，在注水加压系统4和高压水泵之间设置稳压系统，高压注水连接管的另一端与注水加压接口4连通，注水加压接口设置在中间加载反力框架3底部，与内部孔腔连通。

其中水压加载系统需要模型反力台架装置具备更高的密封性能，因此，反力台架装置加工精度要求更高，并需要采用防水密封结构胶进行密封。

高压注水加载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，最大流量为60l/min，水压加载精度为0.1MPa，压力传感器量程为0-100MPa，压力传感器综合精度为0.1％F.S。

待模型系统整体安装完毕即可进行试验操作。在试验时，在框架内依次做好围岩10、初次衬砌11、防渗材料12和二次衬砌13结构，在框架两端加装盖板1和5并做好密封措施，调整控制系统施加不同水压油压，改变不同的加载条件，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。

待模型系统外部整体安装完毕即可进行试验操作。内部试件的制作可以分为两种方式进行，一种是在模型内部直接浇筑；另一种是可以在模型外制作完成后进行安装。

在模型内部直接浇筑时，前后盖板1可以不用进行拆卸，根据试验尺寸要求制作各层合适的模板。首先要安装模板进行围岩10的浇筑，在围岩10冷却后拆除其模板，然后安装初衬11的模板，进行初衬11的浇筑，待初衬11冷却后拆除其模板。在初衬11的表面进行雨虹防渗膜12的粘贴，注意在接缝处要有10～20mm的搭接。在进行二次衬砌13的模板安装，安装完成后进行浇筑，待其冷却后拆除模板。

在模型外制作完成后进行安装时，根据试验尺寸要求制作内层合适的骨架。首先安装好二次衬砌13的模板，进行二次衬砌13的浇筑，然后粘贴防渗膜12，注意防渗膜12的搭接处要有重叠部分。再进行初次衬砌11的浇筑，不用完全冷却就可以进行围岩10的浇筑，待整体完全冷却后就可以拆除模板。

在试验时，如需进行对不同尺寸和形状的试件进行加载，液压加载系统中的油缸推力板9可以进行相应的更换。

前后盖板中间留有1400mm×1400mm的空洞，可以在不进行模型拆卸情况下进行内部试件的安装。

前后盖板拉杆采用高强螺栓来固定进行密封。

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 (7)

1.隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统，应用于隧道围岩与防水衬砌合结构抗变形能力和防水性能的实验，其特征是：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：

所述反力密封框架装置，包括前、后反力密封盖板，所述前、后反力密封盖板之间设置有至少两榀加载反力框架，盖板上轴向贯穿设置有盖板拉杆，加载反力框架周边嵌入多个液压油缸，所述加载反力框架内设置有至少一注水加压接口，所述加载反力框架之间通过密封圈进行密封；

所述液压加载系统，包括液压站和控制台，所述液压站与反力框架中的液压油缸连接，控制台对液压油缸的给油量和回油量进行控制；所述液压油缸的推力板根据试件的不同形状进行更换，实现对不同形状和尺寸模型结构的加载；

所述高压注水加载系统，包括高压水供给机构，通过高压注水连接管路连接注水加压接口，能模拟地下工程围岩的突涌水现象和过程，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突涌水；

所述测试系统包括衬砌应力计、渗透水压力、应变以及位移传感器，以进行实验过程中多物理量的实时监测；所述液压油缸的位置由加载反力框架内设置有调整垫块；所述液压油缸的活塞安装有位移传感器，油路上的压力和油缸活塞加载位移实时通过控制台进行伺服控制。

2.如权利要求1所述的隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统，其特征是：所述高压水供给机构包括储存箱，所述储存箱通过高压注水连接管连接高压水泵，所述高压注水连接管的另一端与注水加压接口连通，所述注水加压接口连接的高压注水连接管设置在加载反力框架底部，与内部孔腔连通。

3.如权利要求1所述的隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统，其特征是：所述前、后反力密封盖板中间留有空洞，以在不进行模型拆卸情况下进行内部试件的安装。

4.基于权利要求2-3中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

在加载反力框架内依次做好围岩、初次衬砌、防渗材料和二次衬砌结构，在加载反力框架两端加装盖板并进行密封，通过施加不同水压油压，改变不同的加载条件，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。

5.如权利要求4所述的工作方法，其特征是：在模型内部直接浇筑时，前后盖板不用进行拆卸，根据试验尺寸要求制作各层合适的模板，进行围岩的浇筑，在围岩冷却后拆除其模板，然后安装初衬的模板，进行初衬的浇筑，待初衬冷却后拆除其模板。

6.如权利要求5所述的工作方法，其特征是：在初衬的表面进行雨虹防渗膜的粘贴，在接缝处要有10～20mm的搭接，在进行二次衬砌的模板安装，安装完成后进行浇筑，待其冷却后拆除模板。

7.如权利要求4所述的工作方法，其特征是：通过调整高压水供给机构和液压加载系统的水压和油压，以实现不同组合的地应力和水压同时加载。

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