CN113832903B - 隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水‑力耦合试验方法。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；安装等围岩压力钢绞线预应力加载机构；将衬砌结构与围岩层形成的整体连同缠绕在围岩层外围、且两端连接的预应力钢绞线一起垂直吊装进反力墙内腔；安装和密封上盖板；安装外水压力加载机构；外水压力加载；进行数据采集，通过数据采集软件对采集到的应力应变、施加围岩压力的钢绞线预应力、外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外载荷和等围岩压力作用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

隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法

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，具体地指一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法。

背景技术

远距离送水工程越来越多，引水隧洞往往地处高山峡谷地区，深埋大、地应力高，隧洞运行过程中围岩-衬砌结构将承受较大的外水压力和围岩压力。隧洞高外水压力的存在导致施工运营过程中经常出现大规模塌方、涌突水、衬砌破裂等工程事故。隧洞围岩压力按其来压方向分为顶压、侧压和底压，部分深埋高山峡谷的隧洞由于受到的来自不同方向的围岩压力近乎相同，所以可以设定为等围岩压力。高等围岩压力和高外水联合承载下的围岩-衬砌结构稳定性是重要的岩土力学难题。

寻找行之有效的等围岩压力和高外水下联合承载的水-力耦合试验方法就十分重要，目前的输水隧洞试验方法存在一定的弊端：其一，输水隧洞试验装置稳定性和密封性往往达不到设计要求，导致外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，现有的围岩层多采用普通混凝土进行浇筑，不能反映真实围岩结构的裂缝分布，且即使加载到所需的外水压力也不能模拟真实围岩结构的渗水特性，水压力不能很好的传递给衬砌结构，造成试验误差；其三，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外荷载与围岩压力作用下的隧洞围岩和衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，以实现围岩和衬砌联合承载高外水和高等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-衬砌结构在外水压力和等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，提供一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法。

为实现上述目的，本发明研制出了一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，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)，安装等围岩压力钢绞线预应力加载机构，包括：先固定好浇筑养护完成的衬砌结构，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；待砂浆凝固，将预应力钢绞线缠绕在围岩层外围，通过液压拉伸机和电动高压油泵对预应力钢绞线进行张拉，到达预定拉应力时用连接器将预应力钢绞线两端连接；

步骤3)，将衬砌结构与围岩层形成的整体连同预应力钢绞线一起垂直吊装进反力墙内腔，并将衬砌结构底部插入定位钢环中；

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依次通过衬砌结构空心、密封钢板上的第一仪器线缆出口和上盖板上的第三仪器线缆出口引出；预埋进围岩层内的监测仪器数据线均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)，安装反力墙主体内的外水压力加载机构，包括：在反力墙主体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)，外水压力加载：包括：对衬砌结构底部、衬砌结构内壁、仪器线缆出口、密封钢板四周进行密封后，根据实验方案，打开加压水泵注水至反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成的外加压腔内；

步骤7)，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、等围岩压力钢绞线预应力、外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，所述隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验装置包括所述立体空壳结构的反力墙，所述第三仪器线缆出口设置在反力墙顶端中心处；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，使反力墙四周内壁与衬砌结构外壁之间形成外加压腔；所述衬砌结构外壁设有透水混凝土结构的围岩层，所述围岩层外侧壁缠绕有等围岩压力钢绞线预应力加载机构，通过等围岩压力钢绞线预应力加载机构向围岩层进行挤压，模拟隧洞外围岩压力作用；所述反力墙上还设有外水压力加载机构，所述外水压力加载机构用于向围岩层和衬砌结构施加四周向中心的外水压力；所述试验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为贴合在衬砌结构外侧的四方立体结构，所述循环透水混凝土结构为贴合在一次性透水混凝土结构四边外侧的弧形立体结构；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。

更进一步地，步骤1)中，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；所述一次性透水混凝土结构和循环透水混凝土结构中的第一垫层和第二垫层分别对应于上下两个圆形法兰盘外围，第一受力层、第二受力层和第三受力层均对应于空心筒状结构外围。

更进一步地，步骤2)中，所述等围岩压力钢绞线预应力加载机构包括分别缠绕在所述循环透水混凝土结构第一受力层、第二受力层和第三受力层外侧的预应力钢绞线，三根所述预应力钢绞线均通过液压拉伸机进行张拉，并通过连接在预应力钢绞线上的拉力传感器测定压力大小；所述液压拉伸机通过油压力管连接有油压力表和电动高压油泵。

更进一步地，步骤3)中，所述反力墙采用钢板焊接而成，其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，所述定位钢环焊接于反力墙主体内腔下底面中心处，且定位钢环内径与法兰盘外径相同；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；所述注水阀门接头设置在反力墙主体开口端一边，所述注水阀门接头相对边的对应位置处设有排水阀门接头。

更进一步地，步骤4)中，所述第一仪器线缆出口设置在密封钢板中心处，所述密封钢板上还设有位于第一仪器线缆出口四周的第二螺栓孔；所述第三仪器线缆出口设置在所述上盖板中心处，所述上盖板上还设有位于第三仪器线缆出口四周的、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，所述上盖板还包括外表面设有的呈纵横交叉结构的第二加强肋；所述衬砌结构上端的法兰盘四周设有与第二螺栓孔对应的第五螺栓孔，且上端的法兰盘与密封钢板之间采用橡胶密封圈进行密封。

更进一步地，步骤6)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。

进一步地，每层所述一次性透水混凝土结构安装时相邻方向之间均设有5～10°角度，从而使四个方向的一次性透水混凝土结构具有适宜的变形空间。

进一步地，距所述空心筒状结构上、下两端0.05～0.15m处，空心筒状结构外壁逐渐加厚至法兰盘外径。

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等围岩压力和外水压力，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及公路、铁路隧道等围岩-衬砌结构真实的受力状态。

2.采用法兰盘、橡胶密封圈、密封钢板等结构对装置进行密封处理，能够较好的维持内水压力，更好的模拟外水压力对衬砌结构的作用。

本发明的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，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为本发明中的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法的流程图；

附图2为本发明中的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验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、外水压力加载机构31、等围岩压力钢绞线预应力加载机构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、注水阀门接头114、排水阀门接头115、橡胶密封凹槽118、定位钢环119；

上盖板12包括：第三仪器线缆出口121、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；

密封钢板13包括：第一仪器线缆出口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；

外水压力加载机构31包括：加压水泵311、水压力表312、水压力管313；

等围岩压力钢绞线预应力加载机构32包括：预应力钢绞线321、液压拉伸机322、电动高压油泵323、拉力传感器324、连接器325、油压力表326、油压力管327；

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。

本隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，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。所述一次性透水混凝土结构41为贴合在衬砌结构2外侧的四方立体结构，所述循环透水混凝土结构42为贴合在一次性透水混凝土结构41四边外侧的弧形立体结构，并特别加工了混凝土浇筑模板，模版设计见图6。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)，安装等围岩压力钢绞线预应力加载机构32，其安装过程如下：先固定好浇筑养护完成的衬砌结构2，将围岩层4内圈的一次性透水混凝土结构41分层紧贴衬砌结构2外壁，并且使用砂浆砌筑使一次性透水混凝土结构41层间及其与衬砌结构2外壁之间紧密结合形成一个整体。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之间均留有5°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。

所述等围岩压力钢绞线预应力加载机构32包括分别缠绕在所述循环透水混凝土结构42第一受力层、第二受力层和第三受力层外侧的预应力钢绞线321。砂浆凝固后，通过液压拉伸机322和电动高压油泵323对预应力钢绞线321进行张拉，从而对衬砌结构2模型外侧的围岩层4产生压力，通过连接在预应力钢绞线321上的拉力传感器324测定压力大小，到达预定拉应力时用连接器325将预应力钢绞线321两端连接，以保持预应力钢绞线321对衬砌结构2模型的压力稳定，从而模拟隧洞围岩压力作用。

步骤3)，将衬砌结构2与围岩层4形成的整体连同缠绕在围岩层4外围、且两端连接的预应力钢绞线321一起垂直吊装进反力墙1内腔，并将衬砌结构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。

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数据线依次通过衬砌结构2空心、密封钢板13上的第一仪器线缆出口131和上盖板12上的第三仪器线缆出口121引出；预埋进围岩层4内的监测仪器51数据线均依次通过密封钢板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1内的外水压力加载机构31，包括：在反力墙主体11外侧的注水阀门接头114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)，外水压力加载：

外水压力加载之前最主要的问题就是整个仿真装置的密封工作，整个装置密封后就可以将反力墙1内部灌满水，在外部采用液压泵自动进行。

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。

其次进行衬砌结构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。

然后进行第二仪器线缆出口133和第四仪器线缆出口123的密封，将锥台型橡胶塞中部穿孔，将仪器线缆穿过，并用玻璃胶将孔填满。然后将穿好线的橡胶塞从密封钢板13底部往上塞紧。橡胶塞顶部到达仪器线缆出口中心位置，然后将仪器线缆套上直径略大于仪器线缆的PVC管，PVC管里面用环氧树脂填充。

最后进行密封钢板13四周密封，密封钢板13四周与反力墙主体11连接处采用满焊处理。

打开加压水泵311及反力墙主体11上的注水阀门接头114，对外加压腔进行注水，直到排水阀门接头115开始出水，说明外加压腔已经充满水，此时关闭加压水泵311，关闭排水阀门接头115，开启监测仪器51准备开始记录，根据实验方案，打开加压水泵311注水加压至水压力设计值，并使用数据采集仪器52进行数据采集。

步骤7)，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、施加等围岩压力的钢绞线预应力、外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。试验完毕后，打开上盖板12和密封钢板13，用泵抽净外加压腔内的水，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，本隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验装置包括所述立体空壳结构的反力墙1，所述第三仪器线缆出口121设置在反力墙1顶端中心处；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1四周内壁与衬砌结构2外壁之间形成外加压腔；所述衬砌结构2外壁设有透水混凝土结构的围岩层4，所述围岩层4外侧壁缠绕有等围岩压力钢绞线预应力加载机构32，通过等围岩压力钢绞线预应力加载机构32向围岩层4进行挤压，模拟隧洞外围岩压力作用；所述反力墙1上还设有外水压力加载机构31，所述外水压力加载机构31用于向围岩层4和衬砌结构2施加四周向中心的外水压力；所述试验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。第三仪器线缆出口121为直径200mm的孔洞。反力墙主体11外表面的第一加强肋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。反力墙主体11内腔底面的定位钢环119为一个高50mm，厚3mm的环形钢片。所述注水阀门接头114的进水口和排水阀门接头115的出水口均为直径为32mm的孔洞。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m<sup>3</sup>用量(kg)	450	854	469	326	0.68	26

Claims (8)

1.一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，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)；

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)为贴合在衬砌结构(2)外侧的四方立体结构，所述循环透水混凝土结构(42)为贴合在一次性透水混凝土结构(41)四边外侧的弧形立体结构；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；所述一次性透水混凝土结构(41)和循环透水混凝土结构(42)中的第一垫层和第二垫层分别对应于上下两个圆形法兰盘(22)外围，第一受力层、第二受力层和第三受力层均对应于空心筒状结构(21)外围；

步骤2)，安装等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)，包括：先固定好浇筑养护完成的衬砌结构(2)，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；待砂浆凝固，将预应力钢绞线(321)缠绕在围岩层(4)外围，通过液压拉伸机(322)和电动高压油泵(323)对预应力钢绞线(321)进行张拉，到达预定拉应力时用连接器(325)将预应力钢绞线(321)两端连接；

步骤3)，将衬砌结构(2)与围岩层(4)形成的整体连同预应力钢绞线(321)一起垂直吊装进反力墙(1)内腔，并将衬砌结构(2)底部插入定位钢环(119)中；

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)数据线依次通过衬砌结构(2)空心、密封钢板(13)上的第一仪器线缆出口(131)和上盖板(12)上的第三仪器线缆出口(121)引出；预埋进围岩层(4)内的监测仪器(51)数据线均依次通过密封钢板(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)内的外水压力加载机构(31)，包括：在反力墙主体(11)外侧的注水阀门接头(114)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)，外水压力加载：包括：对衬砌结构(2)底部、衬砌结构(2)内壁、仪器线缆出口、密封钢板(13)四周进行密封后，根据实验方案，打开加压水泵(311)注水至反力墙(1)四周内壁与衬砌结构(2)外壁之间形成的外加压腔内；

步骤7)，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、等围岩压力钢绞线预应力、外水压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所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：所述隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验装置包括立体空壳结构的反力墙(1)，所述第三仪器线缆出口(121)设置在反力墙(1)顶端中心处；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)四周内壁与衬砌结构(2)外壁之间形成外加压腔；所述衬砌结构(2)外壁设有透水混凝土结构的围岩层(4)，所述围岩层(4)外侧壁缠绕有等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)，通过等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)向围岩层(4)进行挤压，模拟隧洞外围岩压力作用；所述反力墙(1)上还设有外水压力加载机构(31)，所述外水压力加载机构(31)用于向围岩层(4)和衬砌结构(2)施加四周向中心的外水压力；所述试验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所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：步骤2)中，所述等围岩压力钢绞线预应力加载机构(32)包括分别缠绕在所述循环透水混凝土结构(42)第一受力层、第二受力层和第三受力层外侧的预应力钢绞线(321)，三根所述预应力钢绞线(321)均通过液压拉伸机(322)进行张拉，并通过连接在预应力钢绞线(321)上的拉力传感器(324)测定压力大小；所述液压拉伸机(322)通过油压力管(327)连接有油压力表(326)和电动高压油泵(323)。

4.根据权利要求3所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：步骤3)中，所述反力墙(1)采用钢板焊接而成，其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，所述定位钢环(119)焊接于反力墙主体(11)内腔下底面中心处，且定位钢环(119)内径与法兰盘(22)外径相同；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)；所述注水阀门接头(114)设置在反力墙主体(11)开口端一边，所述注水阀门接头(114)相对边的对应位置处设有排水阀门接头(115)。

5.根据权利要求4所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：步骤4)中，所述第一仪器线缆出口(131)设置在密封钢板(13)中心处，所述密封钢板(13)上还设有位于第一仪器线缆出口(131)四周的第二螺栓孔(132)；所述第三仪器线缆出口(121)设置在所述上盖板(12)中心处，所述上盖板(12)上还设有位于第三仪器线缆出口(121)四周的、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)，所述上盖板(12)还包括外表面设有的呈纵横交叉结构的第二加强肋(125)；所述衬砌结构(2)上端的法兰盘(22)四周设有与第二螺栓孔(132)对应的第五螺栓孔(221)，且上端的法兰盘(22)与密封钢板(13)之间采用橡胶密封圈进行密封。

6.根据权利要求5所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：步骤6)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。

7.根据权利要求1所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：每层所述一次性透水混凝土结构(41)安装时相邻方向之间均设有5～10°角度，从而使四个方向的一次性透水混凝土结构(41)具有适宜的变形空间。

8.根据权利要求1所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法，其特征在于：距所述空心筒状结构(21)上、下两端0.05～0.15m处，空心筒状结构(21)外壁逐渐加厚至法兰盘(22)外径。

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