CN113686603B - 深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法。它包括如下步骤：浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构及围岩层；安装反力墙主体内的衬砌结构及围岩层；安装反力墙主体内的围岩压力油压加载机构；安装和密封上盖板；安装内水压力加载机构；围岩压力油压加载，打开加压油泵空气阀门加压至液压钢枕内；内水压力加载，打开加压水泵注水至反力墙上下内壁与衬砌结构内壁之间形成的内加压腔内；通过数据采集软件对采集到的应力应变、水压等数据进行采集和后期处理。该方法能够模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构在复杂内、外载荷下的受力特点和相关变形特性，并能够对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布进行分析研究。

Description

深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法

技术领域

本发明涉及长距离输水隧洞试验结构模型技术领域，具体地指一种深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法。

背景技术

随着我国经济发展和城市化进程的加快，城市及工业用水量迅速增加，长距离输水工程是解决用水量迅速增加的主要措施之一。长距离输水隧洞大多要穿越西部地质构造背景复杂的山岭地区，隧洞埋深大、地应力高，且地质条件复杂，隧洞运行过程中围岩-衬砌结构将承受较大的内水压力和围岩压力，围岩-衬砌结构稳定与否直接关系到整个输水工程能否实施。寻找行之有效的试验方法和相应的试验装置并对其结构形式和力学性能进行监测和试验就十分重要。目前针对输水隧洞的力学监测试验多采用数值模拟的方法进行，很难模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构的受力情况。

虽然也有一些模拟的试验方法，但存在一定的弊端：其一，试验装置稳定性和密封性往往达不到设计要求，导致内水压力或围岩压力难以加载到所需的数值，不能很好的反映出围岩-衬砌结构在实际复杂荷载下的受力特点和相关变形特征，故针对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布的研究不易进行；其二，部分已有的试验方法采用外水压模拟围岩压力的方法直接作用在衬砌结构上进行围岩压力的加载，这与衬砌的实际承受荷载的方式不符。为此，需要研发一种能够模拟复杂内荷载作用下深埋隧洞围岩和衬砌结构联合承载仿真试验方法，以实现围岩和衬砌结构联合承担复杂内荷载作用的仿真，用于研究围岩-衬砌结构在高内水压力及围岩压力单独作用或共同作用下的力学性能、破坏特征及稳定性。

发明内容

本发明的目的就是能够真实模拟长距离输水隧洞围岩-衬砌结构在内水压力及围岩压力单独作用或共同作用下的力学性能、破坏特征及稳定性，提供一种深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法。

为实现上述目的，本发明研制出了一种深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构及围岩层，其中浇筑衬砌结构包括：根据设计尺寸进行衬砌结构钢筋笼的绑扎，用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构的浇筑养护，并在衬砌结构内需要检测的位置预埋监测仪器；浇筑围岩层包括：根据设计模板，将围岩层分层浇筑成特定的形状并养护，同样地围岩层内需要检测的位置预埋监测仪器；

步骤2)，安装反力墙主体内的衬砌结构及围岩层，包括：将浇筑养护完成的衬砌结构垂直吊装进反力墙主体内腔；将浇筑养护完成的围岩层按照分层顺序紧贴衬砌结构外壁用砂浆砌筑；

步骤3)，安装反力墙主体内的围岩压力油压加载机构，包括：将加压油泵、油压力表分别通过油压力管连接至四个进油阀门接头外接口，再将液压钢枕通过油压力管分别连接至四个进油阀门接头内接口，最后将四块传力厚钢板和四个液压钢枕分别放置在各自的固定支座上，即完成围岩应力加载机构的安装；

步骤4)，安装和密封上盖板，包括：在反力墙主体开口凸台处及衬砌结构顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板，在密封钢板上盖上上盖板，衬砌结构与密封钢板和上盖板之间采用螺栓连接，反力墙主体与上盖板之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构内的监测仪器数据线和预埋进围岩层内的监测仪器数据线依次通过密封钢板上的第二仪器线缆出口和上盖板上的第四仪器线缆出口引出；

步骤5)，安装内水压力加载机构，包括：在上盖板外侧的注水阀门接头上安装水压力管，并将加压水泵、水压力表安装在水压力管另一端；

步骤6)，围岩压力油压加载，包括：将加压油泵注满液压油，打开加压油泵空气阀门及反力墙主体上的进油阀门接头，开始加压，待进油阀门接头开始出油表示液压钢枕及油压力管中空气排尽，此时停止加压，关闭进油阀门接头，开启监测仪器准备开始记录，根据实验方案，对液压钢枕加压至设计值，并使用数据采集仪器进行数据采集；

步骤7)，内水压力加载，打开加压水泵注水至衬砌结构内壁与反力墙之间形成的内注水加压腔，根据实验方案，注水至水压力设计值，并使用数据采集仪器进行数据采集；

步骤8)，将引出的监测仪器数据线连接到数据采集仪器进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变、围岩油压、内水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同压力荷载下围岩层稳定性和衬砌结构中钢筋和混凝土的应力应变关系。

进一步地，所述深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真装置包括立体空壳结构的反力墙，所述反力墙内腔中心处设有竖直布置的空心筒状衬砌结构，且衬砌结构高度与反力墙内腔高度相同、端面齐平，使反力墙上下内壁与衬砌结构内壁之间形成内注水加压腔；所述衬砌结构空心筒上端对应的反力墙上设有内水压力加载机构，通过所述内水压力加载机构向内注水加压腔进行注水加压，模拟隧洞内水压力作用；所述衬砌结构外壁设有透水混凝土结构的立体围岩层，所述围岩层四周外侧至反力墙四周内壁之间设有围岩压力油压加载机构，通过所述围岩压力油压加载机构向围岩层进行挤压，模拟隧洞外围岩压力作用；所述仿真装置还包括分别预埋在所述围岩层和衬砌结构内的监测系统，所述监测系统用于对围岩层内的围岩压力、外水压力和衬砌结构内的应力、应变进行数据采集并分析。

更进一步地，步骤6)中，在油压加载之前，所述液压钢枕先进行标定试验，将试验结果中的数据进行直线拟合，获得作用力与对应油压的一次方程：

y＝477x+132

式中，y为作用力，单位为kN；x为对应的油压，单位为MPa；油压加载过程中，根据设定的施加围岩作用力，调整液压钢枕的油压。

更进一步地，步骤1)中，所述围岩层从内向外依次布置一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构，所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构均包括从下端至上端依次设置的第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层；所述第一垫层和第一受力层之间、第三受力层和第二垫层之间均设有水平润滑层，第一受力层和第二受力层之间、第二受力层和第三受力层之间均设有水平砂浆层；所述衬砌结构包括空心筒状结构和其上下两端设有的法兰盘，所述空心筒状结构空心内径与法兰盘内径相同，所述空心筒状结构外侧从下端至上端均设有灌浆圈，且灌浆圈外径与所述法兰盘外径相同；上下两个圆形所述法兰盘外围分别对应于所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构的第一垫层和第二垫层，所述空心筒状结构外围对应于所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构的第一受力层、第二受力层和第三受力层。

更进一步地，步骤2)中，所述反力墙包括一端开口且开口内壁设有凸台的立体空壳结构的反力墙主体，所述凸台上沿开口四周边设有橡胶密封凹槽，所述密封凹槽内设有与其匹配的密封钢板，所述密封钢板外侧设有与反力墙主体螺栓连接的上盖板，同时上盖板与密封钢板之间也采用螺栓连接；所述反力墙主体包括其外周壁设有呈纵横交叉结构的第一加强肋，所述反力墙主体开口端的四周外侧边缘处分别设有用于与所述上盖板连接的第一螺栓孔，所述反力墙主体内腔底端对应于衬砌结构处焊接有用于定位衬砌结构的定位钢环。

更进一步地，步骤3)中，所述围岩压力油压加载机构包括分别贴合在所述循环透水混凝土结构的第一受力层、第二受力层、第三受力层四周的四块传力厚钢板，四块所述传力厚钢板与反力墙内腔之间分别贴合有能够拆卸出的四个液压钢枕，四块所述传力厚钢板和四个所述液压钢枕均安装在所述反力墙空壳内壁的固定支座上，四个所述液压钢枕均通过所述反力墙上的四个进油阀门接头分别连接压力管，四个所述压力管另一端均连接有加压油泵和油压力表。

更进一步地，步骤4)中，所述密封钢板中心处设有注水阀门口，所述注水阀门口四周设有与衬砌结构螺栓连接的第二螺栓孔；所述上盖板包括外表面设有的呈纵横交叉结构的第二加强肋，上盖板中心处设有与注水阀门口对应的注水阀门接头，所述注水阀门接头四周设有与第二螺栓孔对应的第三螺栓孔，所述上盖板四周边沿处还设有与所述第一螺栓孔对应的第四螺栓孔。

更进一步地，步骤5)中，所述注水阀门口的一侧还设有第二仪器线缆出口，所述注水阀门接头的一侧设有与第二仪器线缆出口对应的第四仪器线缆出口。

更进一步地，步骤5)中，所述衬砌结构底部的密封，采用在衬砌结构底部浇灌40～60mm厚的环氧树脂进行密封；所述衬砌结构内壁的密封，采用在衬砌结构内安放直径略小于衬砌结构内径的PVC管，然后在衬砌结构内壁及PVC管之间填满环氧树脂；所述第二仪器线缆出口和第四仪器线缆出口均采用环氧树脂胶进行填充密封；所述密封钢板四周与反力墙主体连接处采用满焊处理密封。

进一步地，步骤7)中，四个所述液压钢枕投入使用前，通过电液伺服压力试验机对其进行筛选和标定试验，根据标定试验结果获得作用力与对应油压的关系。

本发明的优点在于：

1.本试验方法能够单独施加或同时施加围岩压力油压和内水压力，且围岩压力油压双向载荷独立控制，能够进行复杂应力状态的承载试验，更贴合长距离输水隧洞等深埋围岩-衬砌结构真实的受力状态。

2.设计的全密封反力承载钢构件承载性能强，灵活性较大，可根据试验要求合理调整，并可重复利用进行试验，试验的密封性和安全性有较好的保障。

本发明的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，能够模拟实际环境中隧洞围岩及输水隧洞衬砌结构在复杂内、外载荷下的受力特点和相关变形特性，并能够对衬砌结构破坏形态以及开裂后的裂缝分布进行分析研究。

附图说明

附图1为本发明深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法的流程图；

附图2为本发明的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真装置的整体外观结构示意图；

附图3为图2中的反力墙主体结构示意图；

附图4为图2中的上盖板结构示意图；

附图5为图2中的密封钢板结构示意图；

附图6为图2中的衬砌结构示意图；

附图7为图2中的竖直剖视结构示意图；

附图8为图2中的仿真装置打开上盖板和密封钢板后的俯视结构示意图；

附图9为图2中的反力墙开口端的轴向剖视结构示意图；

图中：反力墙1、衬砌结构2、内水压力加载机构31、围岩压力油压加载机构32、围岩层4、监测系统5；

其中：

反力墙1包括：反力墙主体11、上盖板12、密封钢板13；

反力墙主体11包括：第一螺栓孔112、第一加强肋113、进油阀门接头116、橡胶密封凹槽118、定位钢环119、固定支座120；

上盖板12包括：第三螺栓孔122、第四仪器线缆出口123、第四螺栓孔124、第二加强肋125、注水阀门接头126；

密封钢板13包括：注水阀门口131、第二螺栓孔132、第二仪器线缆出口133；

衬砌结构2包括：空心筒状结构21、法兰盘22、第五螺栓孔221、灌浆圈23；

内水压力加载机构31包括：加压水泵311、水压力表312、水压力管313；

围岩压力油压加载机构32包括：液压钢枕321、加压油泵322、油压力表323、传力厚钢板324，油压力管325；

围岩层4包括：一次性透水混凝土结构41、循环透水混凝土结构42、砂浆层43、润滑层44；

监测系统5包括：监测仪器51、数据采集仪器52。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

本深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构2及围岩层4，包括：根据设计尺寸进行衬砌结构2钢筋笼的绑扎和监测仪器51的布置，钢筋笼由8根纵向钢筋以及7根圆形箍筋组成，纵筋、箍筋材料均使用一级钢(HPB300)。用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构2的浇筑，在需要检测的位置预埋电阻式应变片、光纤传感器、振弦应变计。考虑到衬砌结构2为薄壁结构，内侧铺设钢筋，并布设大量的应变片及信号传输导线，混凝土浇筑时不易密实，但又不允许过大强度的振捣，因此采用C25自密实混凝土进行浇筑，配合比如表1所示。衬砌混凝土浇筑时，使用强制式搅拌机进行材料的搅拌，采用将衬砌整体置于振动台上进行振捣，搅拌后在二十分钟内完成衬砌混凝土的浇筑，并于两天后脱模，最后标准养护28天。浇筑混凝土时预留3个150mm*150mm*150mm标准立方体试块以测量材料抗压强度，预留3个150mm*150mm*300mm棱柱体试件以测量混凝土弹性模量，预留3个直径150mm*300mm圆柱体试件以测量混凝土泊松比。

围岩层4采用C10透水混凝土制作，整个围岩层4内圈使用5层(从下端至上端依次为：第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层)共20块一次性透水混凝土结构41和外圈使用5层(从下端至上端依次为：第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层)共20块循环透水混凝土结构42堆砌而成。为达到更好的传力效果，每块透水混凝土结构均被设计成特定的形状，并特别加工了混凝土浇筑模板，模版设计见图7。砂浆层43为M7.5砂浆，砂浆层43的作用是使中间三层透水混凝土连接成一个整体，传力更均匀。润滑层44，采用1mm厚的镀锌钢板，目的是使中间三层的透水混凝土更高效地与液压钢枕联动。

步骤2)，安装反力墙主体11内的衬砌结构2及围岩层4，包括：

将浇筑养护完成的衬砌结构2垂直吊装进反力墙主体11内腔，衬砌结构2底部插入定位钢环119中。具体过程为：先在反力墙主体11内腔底部定位钢环119内铺设一层致密砂浆，然后将衬砌结构2放置在砂浆上，手动摇晃使得衬砌底部与砂浆紧密接触，同时调整好衬砌结构2的几何位置及水平度。将浇筑养护完成的一次性透水混凝土结构41按照第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层的顺序分层紧贴衬砌结构2外壁用砂浆砌筑，使一次性透水混凝土结构41与衬砌结构2外壁之间紧密结合形成一个整体。将一次性透水混凝土结构41按照方案进行装配，先底层铺设80mm厚的一次性透水混凝土结构41作为第一垫层，然后将裁好的镀锌钢板平铺在上面，再铺260mm厚的第一受力层。为了便于弧形第一受力层的安装，在260mm厚的第一受力层安装一层后，进行衬砌的吊装。最后再将浇筑养护完成的循环透水混凝土结构42按照第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层的顺序分层紧贴一次性透水混凝土结构41外壁进行层间砌筑。待一次性透水混凝土结构41和循环透水混凝土结构42装配完毕，使用高延性的ECC混凝土对衬砌与围岩之间的缝隙进行浇筑填充，作为缓冲层，并保护衬砌外壁上的应变片，使用的高延性ECC混凝土基准配合比见表2。

另外将相邻方向的一次性透水混凝土结构41、循环透水混凝土结构42之间均留有6°角度，使四个方向的透水混凝土块之间留有一定的变形空间，以便更好地传导、模拟围岩压力至衬砌结构2；另外在围岩层4中还需预埋振弦式孔隙水压力计、土压力计。

步骤3)，安装反力墙主体1内的围岩压力油压加载机构32，包括：将加压油泵323、油压力表322分别通过油压力管325连接至四个进油阀门接头116外接口，再将液压钢枕321通过油压力管325分别连接至四个进油阀门接头116内接口，最后将四块传力厚钢板324和四个液压钢枕321分别放置在各自的固定支座120上，即完成围岩压力油压加载机构32的安装。

四块所述传力厚钢板324分别贴合在所述循环透水混凝土结构42的第一受力层、第二受力层、第三受力层的四周，四个所述液压钢枕321分别贴合在传力厚钢板324与反力墙主体11内腔之间。

步骤4)，安装和密封上盖板12，包括：在反力墙主体11开口凸台处及衬砌结构2顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板13，在密封钢板13上盖上上盖板12，衬砌结构2与密封钢板13和上盖板12之间采用螺栓连接，反力墙主体11与上盖板12之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构2内的监测仪器51数据线和预埋进围岩层4内的监测仪器51数据线依次通过密封钢板13上的第二仪器线缆出口133和上盖板12上的第四仪器线缆出口123引出。

步骤5)，安装反力墙主体11内的内水压力加载机构31，包括：

在上盖板(12)外侧的注水阀门接头(126)上安装水压力管(313)，并将加压水泵(311)、水压力表(312)安装在水压力管(313)另一端，即完成内水压力加载机构31的安装。

步骤6)，围岩压力油压加载，包括：将加压油泵323注满液压油，打开加压油泵323空气阀门及反力墙主体11上的进油阀门接头116，开始加压，待进油阀门接头116开始出油表示液压钢枕321及油压力管325中空气排尽，此时停止加压，关闭进油阀门接头116，开启监测仪器51准备开始记录，根据实验方案，对液压钢枕321加压至设计值，并使用数据采集仪器52进行数据采集。

通过油压施加的围岩压力主要由位于隧洞衬砌结构2周边的围岩层4的变形产生，包括垂直、水平两个分量。在本试验中采用4个同步的、分别贴合在围岩层4和反力墙主体11之间的液压钢枕321加载模拟，由自动稳压系统控制，自动调整压力输出，使输出压力保持恒定。反力由反力墙主体11四周钢板来承担，垂直力和水平力分别控制加载，可以模拟一定范围内的应力侧压系数影响特征。

在液压钢枕321投入工作前，先对其进行标定。对4个所述液压钢枕321进行筛选与标定试验，试验设备为30000KN电液伺服压力试验机，标定试验结果如表3。对试验结果中的数据采用Oringin进行直线拟合获得作用力与对应油压的一次方程：

y＝477x+132

式中，y为作用力，单位为kN；x为对应的油压，单位为MPa。

此外，由于设计的液压钢枕321、传力钢板324及循环透水混凝土结构42中部围岩面积相差无几，传力效率约为100％，所以不进行转换。

步骤7)，内水压力加载：

内水压力加载之前最主要的问题就是内注水加压腔的密封工作，注水加压腔密封后就可以将衬砌结构2内腔灌满水，在外部采用加压水泵311自动进行。

首先进行衬砌结构2底部的密封，在衬砌结构2安装时已经在其底部铺设了砂浆层，考虑到试验需要的水压力较高，往衬砌圆筒内浇灌了50mm厚的环氧树脂进行密封。

还要进行衬砌结构2内壁及顶部密封，为了模拟衬砌结构2防水层，在衬砌结构2内先放一个直径略小于衬砌结构2内径的PVC管，然后在衬砌结构2内壁及PVC管之间填满环氧树脂。衬砌结构2顶部与密封钢板13之间先铺一张厚度为2mm的橡胶垫，盖上上盖板12之后，最后在其与PVC管之间填满环氧树脂。

打开加压水泵311注水至衬砌结构2内壁与反力墙1之间形成的内注水加压腔，根据实验方案，注水至水压力设计值，并使用数据采集仪器52进行数据采集；

步骤8)，数据监测及处理，包括：

将引出的监测仪器51数据线连接到数据采集仪器52进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变、水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同压力荷载下围岩结构4稳定性和衬砌结构2中钢筋和混凝土的应力应变关系，试验完毕后，打开上盖板12，用泵抽净内加压腔内的水，对围岩层4和衬砌结构2破坏形态进行观察。

如图2～9所示，本深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真装置，包括立体空壳结构的反力墙1，所述反力墙1内腔中心处设有竖直布置的空心筒状衬砌结构2，且衬砌结构2高度与反力墙1内腔高度相同、端面齐平，使反力墙1上下内壁与衬砌结构2内壁之间形成内注水加压腔；所述衬砌结构2空心筒上端对应的反力墙1上设有内水压力加载机构31，通过所述内水压力加载机构31向内注水加压腔进行注水加压，模拟隧洞内水压力作用；所述衬砌结构2外壁设有透水混凝土结构的立体围岩层4，所述围岩层4四周外侧至反力墙1四周内壁之间设有围岩压力油压加载机构32，通过所述围岩压力油压加载机构32向围岩层4进行挤压，模拟隧洞外围岩压力作用；所述仿真装置还包括分别预埋在所述围岩层4和衬砌结构2内的监测系统5，所述监测系统5用于对围岩层4内的围岩压力、外水压力和衬砌结构2内的应力、应变进行数据采集并分析。

反力墙1实体图见图3，反力墙1内部轮廓尺寸为1.2m×1.2m×1m(长×宽×高)，采用50mm厚钢板焊接而成，反力墙1所用钢材均为45号钢，标称屈服强度不小于355MPa，抗拉强度不小于600MPa。所述密封钢板13为20mm厚钢板，作为密封设施的增设，上盖板12是一个50mm厚钢板制作而成的盖板。第一加强肋113为30mm厚、100mm宽的钢条，钢条中心线间隔100mm，底面由于受力较小，加固钢条数目较少。反力墙主体11开口端的四周外侧边缘处分别设有用于与上盖板12连接的8对32mm孔径大小的第一螺栓孔112。四个所述进油阀门接头116的进油口均为直径为32mm的孔洞。定位钢环119为一个高50mm，厚3mm的环形钢片。上盖板12外表面的第二加强肋125同样为30mm厚、100mm宽的钢条，钢条中心线间隔100mm。

空心筒状结构21内径为200mm，外径为260mm，法兰盘22外径为360mm，距衬砌两端100mm处外壁逐渐加厚至360mm，内径保持200mm不变。

数据采集仪器52包括：信号数据采集系统、振弦数据记录仪、光纤数据记录仪；埋设于衬砌结构2内的监测仪器51包括：电阻式应变片、光纤传感器、振弦应变计；埋设于围岩层4内部的监测仪器51包括：振弦式孔隙水压力计、土压力计。所有监测仪器51数据线引出后连接信号数据采集系统、振弦数据记录仪、光纤数据记录仪，并在上盖板12中心处架设高清摄像机，所有记录数据和图像汇总至计算机处理分析。

例如，电阻式应变片系统监测方案具体为：主要是对衬砌结构2中的钢筋笼以及衬砌混凝土进行应变的监控。分别在钢筋笼中部三个箍筋上(下端部箍筋、中部箍筋、上端部箍筋)每隔90°粘贴应变片，共计12个箍筋应变片；另外，在衬砌混凝土养护28天后，在混凝土内、外壁分4层(从上至下依次为：第一层、第二层、第三层、第四层)，每层隔90°粘贴4个纵向及4个横向混凝土应变片，共64个混凝土应变片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

表1

材料	水泥	粉煤灰	水	砂	瓜米石
						配合比	1	0.428	0.585	2.289	3.224

表2

材料	水泥	粉煤灰	石英砂	水	减水剂	PVA
							每m3用量(kg)	450	854	469	326	0.68	26

表3

Claims (10)

1.一种深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，浇筑高度相同、且端面齐平的衬砌结构(2)及围岩层(4)，其中浇筑衬砌结构(2)包括：根据设计尺寸进行衬砌结构(2)钢筋笼的绑扎，用满足所需设计强度的混凝土进行衬砌结构(2)的浇筑养护，并在衬砌结构(2)内需要检测的位置预埋监测仪器(51)；浇筑围岩层(4)包括：根据设计模板，将围岩层(4)分层浇筑成特定的形状并养护，同样地围岩层(4)内需要检测的位置预埋监测仪器(51)；

步骤2)，安装反力墙主体(11)内的衬砌结构(2)及围岩层(4)，包括：将浇筑养护完成的衬砌结构(2)垂直吊装进反力墙主体(11)内腔；将浇筑养护完成的围岩层(4)按照分层顺序紧贴衬砌结构(2)外壁用砂浆砌筑；

步骤3)，安装反力墙主体(11)内的围岩压力油压加载机构(32)，包括：将加压油泵(323)、油压力表(322)分别通过油压力管(325)连接至四个进油阀门接头(116)外接口，再将液压钢枕(321)通过油压力管(325)分别连接至四个进油阀门接头(116)内接口，最后将四块传力厚钢板(324)和四个液压钢枕(321)分别放置在各自的固定支座(120)上，即完成围岩油压加载机构(32)的安装；

步骤4)，安装和密封上盖板(12)，包括：在反力墙主体(11)开口凸台处及衬砌结构(2)顶部安装橡胶密封圈，在密封圈内盖上密封钢板(13)，在密封钢板(13)上盖上上盖板(12)，衬砌结构(2)与密封钢板(13)和上盖板(12)之间采用螺栓连接，反力墙主体(11)与上盖板(12)之间采用螺栓连接；另外预埋进衬砌结构(2)内的监测仪器(51)数据线和预埋进围岩层(4)内的监测仪器(51)数据线依次通过密封钢板(13)上的第二仪器线缆出口(133)和上盖板(12)上的第四仪器线缆出口(123)引出；

步骤5)，安装内水压力加载机构(31)，包括：在上盖板(12)外侧的注水阀门接头(126)上安装水压力管(313)，并将加压水泵(311)、水压力表(312)安装在水压力管(313)另一端；

步骤6)，围岩压力油压加载，包括：将加压油泵(323)注满液压油，打开加压油泵(323)空气阀门及反力墙主体(11)上的进油阀门接头(116)，开始加压，待进油阀门接头(116)开始出油表示液压钢枕(321)及油压力管(325)中空气排尽，此时停止加压，关闭进油阀门接头(116)，开启监测仪器(51)准备开始记录，根据实验方案，对液压钢枕(321)加压至设计值，并使用数据采集仪器(52)进行数据采集；

步骤7)，内水压力加载，打开加压水泵(311)注水至衬砌结构(2)内壁与反力墙(1)之间形成的内注水加压腔，根据实验方案，注水至水压力设计值，并使用数据采集仪器(52)进行数据采集；

步骤8)，将引出的监测仪器(51)数据线连接到数据采集仪器(52)进行数据采集，再连接至电脑中，通过数据采集软件对采集到的应力应变、围岩油压、内水压等数据进行采集和后期处理，分析在不同压力荷载下围岩层(4)稳定性和衬砌结构(2)中钢筋和混凝土的应力应变关系。

2.根据权利要求1所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：所述深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真装置包括立体空壳结构的反力墙(1)，所述反力墙(1)内腔中心处设有竖直布置的空心筒状衬砌结构(2)，且衬砌结构(2)高度与反力墙(1)内腔高度相同、端面齐平，使反力墙(1)上下内壁与衬砌结构(2)内壁之间形成内注水加压腔；所述衬砌结构(2)空心筒上端对应的反力墙(1)上设有内水压力加载机构(31)，通过所述内水压力加载机构(31)向内注水加压腔进行注水加压，模拟隧洞内水压力作用；所述衬砌结构(2)外壁设有透水混凝土结构的立体围岩层(4)，所述围岩层(4)四周外侧至反力墙(1)四周内壁之间设有围岩压力油压加载机构(32)，通过所述围岩压力油压加载机构(32)向围岩层(4)进行挤压，模拟隧洞外围岩压力作用；所述仿真装置还包括分别预埋在所述围岩层(4)和衬砌结构(2)内的监测系统(5)，所述监测系统(5)用于对围岩层(4)内的围岩压力、外水压力和衬砌结构(2)内的应力、应变进行数据采集并分析。

3.根据权利要求2所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤6)中，在油压加载之前，所述液压钢枕(321)先进行标定试验，将试验结果中的数据进行直线拟合，获得作用力与对应油压的一次方程：

y＝477x+132

式中，y为作用力，单位为kN；x为对应的油压，单位为MPa；油压加载过程中，根据设定的施加围岩作用力，调整液压钢枕(321)的油压。

4.根据权利要求3所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤1)中，所述围岩层(4)从内向外依次布置一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)，所述一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)均包括从下端至上端依次设置的第一垫层、第一受力层、第二受力层、第三受力层、第二垫层；所述第一垫层和第一受力层之间、第三受力层和第二垫层之间均设有水平润滑层(44)，第一受力层和第二受力层之间、第二受力层和第三受力层之间均设有水平砂浆层(43)；所述衬砌结构(2)包括空心筒状结构(21)和其上下两端设有的法兰盘(22)，所述空心筒状结构(21)空心内径与法兰盘(22)内径相同，所述空心筒状结构(21)外侧从下端至上端均设有灌浆圈(23)，且灌浆圈(23)外径与所述法兰盘(22)外径相同；上下两个圆形所述法兰盘(22)外围分别对应于所述一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)的第一垫层和第二垫层，所述空心筒状结构(21)外围对应于所述一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)的第一受力层、第二受力层和第三受力层。

5.根据权利要求4所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤2)中，所述反力墙(1)包括一端开口且开口内壁设有凸台的立体空壳结构的反力墙主体(11)，所述凸台上沿开口四周边设有橡胶密封凹槽(118)，所述密封凹槽(118)内设有与其匹配的密封钢板(13)，所述密封钢板(13)外侧设有与反力墙主体(11)螺栓连接的上盖板(12)，同时上盖板(12)与密封钢板(13)之间也采用螺栓连接；所述反力墙主体(11)包括其外周壁设有呈纵横交叉结构的第一加强肋(113)，所述反力墙主体(11)开口端的四周外侧边缘处分别设有用于与所述上盖板(12)连接的第一螺栓孔(112)，所述反力墙主体(11)内腔底端对应于衬砌结构(2)处焊接有用于定位衬砌结构(2)的定位钢环(119)。

6.根据权利要求5所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤3)中，所述围岩压力油压加载机构(32)包括分别贴合在所述循环透水混凝土结构(42)的第一受力层、第二受力层、第三受力层四周的四块传力厚钢板(324)，四块所述传力厚钢板(324)与反力墙(1)内腔之间分别贴合有能够拆卸出的四个液压钢枕(321)，四块所述传力厚钢板(324)和四个所述液压钢枕(321)均安装在所述反力墙(1)空壳内壁的固定支座(120)上，四个所述液压钢枕(321)均通过所述反力墙(1)上的四个进油阀门接头(116)分别连接压力管(325)，四个所述压力管(325)另一端均连接有加压油泵(323)和油压力表(322)。

7.根据权利要求6所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤4)中，所述密封钢板(13)中心处设有注水阀门口(131)，所述注水阀门口(131)四周设有与衬砌结构(2)螺栓连接的第二螺栓孔(132)；所述上盖板(12)包括外表面设有的呈纵横交叉结构的第二加强肋(125)，上盖板(12)中心处设有与注水阀门口(131)对应的注水阀门接头(126)，所述注水阀门接头(126)四周设有与第二螺栓孔(132)对应的第三螺栓孔(122)，所述上盖板(12)四周边沿处还设有与所述第一螺栓孔(112)对应的第四螺栓孔(124)。

8.根据权利要求7所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤5)中，所述注水阀门口(131)的一侧还设有第二仪器线缆出口(133)，所述注水阀门接头(126)的一侧设有与第二仪器线缆出口(133)对应的第四仪器线缆出口(123)。

9.根据权利要求8所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤5)中，所述衬砌结构(2)底部的密封，采用在衬砌结构(2)底部浇灌40～60mm厚的环氧树脂进行密封；所述衬砌结构(2)内壁的密封，采用在衬砌结构(2)内安放直径略小于衬砌结构(2)内径的PVC管，然后在衬砌结构(2)内壁及PVC管之间填满环氧树脂；所述第二仪器线缆出口(133)和第四仪器线缆出口(123)均采用环氧树脂胶进行填充密封；所述密封钢板(13)四周与反力墙主体(11)连接处采用满焊处理密封。

10.根据权利要求1所述的深埋隧洞围岩与衬砌结构联合承载仿真试验方法，其特征在于：步骤7)中，四个所述液压钢枕(321)投入使用前，通过电液伺服压力试验机对其进行筛选和标定试验，根据标定试验结果获得作用力与对应油压的关系。