CN114033442A - 一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法，涉及隧道施工领域，包括长为800cm，宽为150cm，高为45cm的立体模拟隧道，长800cm模拟的是隧道的环向，宽150cm模拟的是隧道的纵向，模拟隧道的纵向中心线方向设置环向施工缝，高45cm模拟的是隧道的断面厚度，且断面厚度包括初支厚度为10cm的喷射混凝土和初砌厚度为35cm的模筑素混凝土，且所述初支和所述初砌之间依次贴合有防水板、排水板和止水带，且所述防水板、排水板之间安装有若干检测的渗压计，所述环向施工缝开设在止水带外壁的模筑素混凝土上；所述模拟隧道的两端和两侧分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，每根所述水管连接有阀门控制开关。

Description

一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体为一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法。

背景技术

山岭隧道的环向施工缝，通过按10～12m间距不等设置一道，是隧道防水薄弱环节，在隧道运营过程中，频繁出现渗漏水现象，不仅影响隧道结构的稳定性，严重时还会影响行车安全。目前，隧道环向施工缝主要采用防水构造措施进行防水，通常以背贴止水带、中埋钢边止水带、膨胀止水条的单一或组合措施进行防水，这些措施在隧道实际工程中，由于施工工艺原因，往往很难达到理想的防水效果，导致隧道在运营过程中，频繁出现施工缝渗漏水现象，影响结构稳定和行车安全。

为了改善这一困扰隧道安全运营的局面，针对山岭隧道的环向施工缝，保证隧道内施工的安全，为此，设计一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法，来模拟确定隧道的防排水效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法，该装置可以模拟隧道环向施工缝在运营过程中的工作状态，适用于测试采用新型隧道施工缝防排水构造后的防排水性能改良状态参数和相关指标，科学评价该措施实际工程应用可能性，指导现场施工。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置，所述试验装置包括长为800cm，宽为150cm，高为45cm的立体模拟隧道，所述模拟隧道的长800cm模拟的是隧道的环向，所述模拟隧道的宽150cm模拟的是隧道的纵向，所述模拟隧道的纵向中心线方向设置环向施工缝，所述模拟隧道的高45cm模拟的是隧道的断面厚度，且所述断面厚度包括初支厚度为10cm的喷射混凝土和初砌厚度为35cm的模筑素混凝土，且所述初支和所述初砌之间从上到下依次贴合有防水板、排水板和止水带，所述防水板与初支贴合，所述止水带与初砌贴合，且所述防水板、排水板之间安装有若干检测的渗压计，所述环向施工缝开设在止水带外壁的模筑素混凝土上；

所述模拟隧道的两端分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，用于试验进排水，所述模拟隧道的两侧分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，每根所述水管连接有阀门控制开关。

优选地，一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的试验方法，包括步骤如下：

S1：所述模拟隧道模型制作完毕，达到设定养护强度以后，打开模拟隧道的两端头水管，开展一端进水，另一端出水的注水试验，调节注水压力，测定不同工况下的结构防排水性能；

S2：对S1的注水试验的指标进行分析：测定从开始注水到排水管出水时间、排水管排出水量、注水管注入水量、渗压计压力值比，判定模型排水性能；

S3：然后根据试验情况调节注水方式，打开模拟隧道两侧的水管，开展一侧进水，另一端出水的注水试验，调节注水压力，测定相关指标。

S4：对S3的注水试验的指标进行分析：通过渗压计压力值分析内部水的分布状态，观察施工缝渗水情况，判断新型防排水构造防水效果。

S5：当所有试验完毕后，开展注水加压击穿试验，研究新型防排水结构的极限防排水能力。

优选地，所述S1的注水压力和所述S2的注水压力均为0.05MPa-1MPa，且均分为若干组注水压力进行试验。

优选地，所述S1养护强度须在模拟隧道的强度达到95％以上以后才能进行注水试验。

本发明的有益效果是：

该试验装置以及试验方法中，所有设定指标均能定量化进行分析，从而能够定量化针对地上文所提新型防排水构造的防排水能力进行评价，相对以往定性分析更加客观，具体；并且试验仅制作一个模型，能够模拟隧道衬砌背后不同出水部位、不同地下水压力等多种实际情况，试验最后还增加了极限水压力注水破坏试验，所模拟实际工况相对全面、丰富，从而试验所得结果更加可靠，针对凹凸放排水板的评价更加相对全面；本发明的试验模型采用矩形形状设置，在不影响试验结果的基础上，简化了隧道实际模型，大大降低了试验实际操作的困难度，模型制作简易方便，试验实施成本较低，且能够保证试验结果的可靠性；该模型试验不仅能科学评价新型防排水构造的实际性能，还可以针对该措施提出具体的施工安装工艺建议，用于指导现场实际施工。

附图说明

图1为本发明一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的平面示意图；

图2为本发明一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的断面结构示意图；

图3为本发明一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的结构安装平面示意图；

图4为本发明一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法的不同部位模型内水压力变化曲线示意图；

图5为本发明一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置及方法的注水管流速随注水压力变化曲线示意图；

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1至图3所示，一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置，试验装置包括长为800cm，宽为150cm，高为45cm的立体模拟隧道，模拟隧道的长800cm模拟的是隧道的环向，模拟隧道的宽150cm模拟的是隧道的纵向，模拟隧道的纵向中心线方向设置环向施工缝，模拟隧道的高45cm模拟的是隧道的断面厚度，且断面厚度包括初支厚度为10cm的喷射混凝土和初砌厚度为35cm的模筑素混凝土，且初支和初砌之间从上到下依次贴合有防水板、排水板和止水带，防水板与初支贴合，止水带与初砌贴合，且防水板、排水板之间安装有若干检测的渗压计，环向施工缝开设在止水带外壁的模筑素混凝土上；模拟隧道的两端分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，用于试验进排水，模拟隧道的两侧分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，每根水管连接有阀门控制开关。

进一步的，通过该试验装置，采用的试验方法具体是：

首先，制作试验装置模型：

由于防排水板的防排水性能与隧道断面的弧形曲线形式关系较小，且为简化室内试验模型，截弯取直，将试验模型形式设置为矩形，模拟隧道环向施工缝一定范围内的复合式支护衬砌。

模型尺寸具体如图1、图2所示，装置模型为长×宽×高＝800×150×45cm，长800cm模拟隧道环向；宽150cm模拟隧道纵向，并设置环向施工缝，施工缝左右两侧各75cm；高45cm模拟隧道断面厚度，其中初支为厚度10cm的喷射混凝土(不设置工字钢架、格栅钢架)，衬砌为厚度35cm的模筑素混凝土。整个装置模型呈前后左右对称布置，防排水板宽60cm，防水板宽100cm，止水带均匀对称布置于施工缝左右两侧，同时在防排水板范围二衬的中间位置设置施工缝，模拟现场施工缝。在装置模型的两端各设置3根25mmPVC进、出水管，模拟防排水板环向排水情况；在装置模型的两侧不同位置均匀设置5根25mmPVC水管，每根水管均设水阀门控制开关，通过控制阀门开头，模拟不同工况。装置模型中沿纵向布置4个渗压计，监测实验过程中排水板水压情况。

装置模型在制作的时候，首先施作初支层，待混凝土达到一定强度后，铺设或安装防水板、防排水板、渗压计、止水带，之后施作衬砌，为增加模型四周初支、防水板、衬砌三者的贴合效果，保证模型四周的防水效果，防止试验时模型四周在水压力作用下破坏渗水，模型四周的初支与二衬之间适当配置了钢筋。

而后，进行装置模型的试验方法：

本次试验分别设置不同的注水压力、注水方式，其中不同注水压力模拟防排水板背后不同水头高度，不同注水方式模拟不同进水情况和不同排水路径等实际情况，试验期间不断观察、测量，定量分析相关试验指标，检验新型环向施工缝防排水结构的排水性能、防水效果等。

试验步骤如下：

第一步，模拟隧道装置模型制作完毕，达到设定养护强度以后，打开模拟隧道的两端头水管，开展一端进水，另一端出水的注水试验，调节注水压力，测定不同工况下的结构防排水性能；然后，对注水试验的指标进行分析：测定从开始注水到排水管出水时间、排水管排出水量、注水管注入水量、渗压计压力值比，判定模型排水性能；

第二步，试验注水检测，试验注水压力的范围为0.05MPa-1MPa，模拟作用在衬砌上的不同水头高度，该因素变量通过注水压力泵控制；

注水流速流量：通过改变注水管口径改变所注入的不同水流量；

注水方式：端头注水，即一端进水一端出水，模拟不同排水路径长度；

排水条件：模拟实际工况排水管堵塞情况，控制不同数量的排水管排水；

模型制作完毕，待强度达到95％以上后。打开两端头水管的阀门控制开关，开展一端进一端出的注水试验。

第三步，然后根据试验情况调节注水方式，打开模拟隧道两侧的水管，开展一侧进水，另一端出水的注水试验，调节注水压力，测定相关指标；随后也对该注水试验的指标进行分析：通过渗压计压力值分析内部水的分布状态，观察施工缝渗水情况，判断新型防排水构造防水效果。

第四步，按照第二步步骤对装置模型的两侧进行检测，即：

试验注水检测，试验注水压力的范围为0.05MPa-1MPa，模拟作用在衬砌上的不同水头高度，该因素变量通过注水压力泵控制；

注水流速流量：通过改变注水管口径改变所注入的不同水流量；

注水方式：端头注水，即一侧进水一侧出水，模拟不同排水路径长度；

排水条件：模拟实际工况排水管堵塞情况，控制不同数量的排水管排水；

打开两侧的水管的阀门控制开关，开展一侧进一端出的注水试验。

最后，当所有试验完毕后，开展注水加压击穿试验，研究新型防排水结构的极限防排水能力。

在实施过程中，其中一个试验如下，如图3所示：

试验注水压力取0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa，0.30MPa，模拟作用在衬砌上的不同水头高度，该因素变量通过注水压力泵控制；

注水方式：端头注水(一端进一端出)、两侧注水(一侧进一端出)，模拟不同排水路径长度；

当所有试验完毕后，开展注水加压击穿试验，研究新型防排水结构的极限防排水能力。其中试验工况统计表如下表所示：

试验工况统计表

其中渗压计读数统计如下表所示：

渗压计读数统计表

根据四个不同位置渗压计在不同注水压力下所测得结果，由此可以知道，随着注水压力的增加，渗压计数值在增加，距离注水点越近，压力越大，但均远小于注水压力，所测得规律符合水的一般分布特征。

进一步的，在试验的时候，记录了注水试验0.05MPa-1MPa的范围内，四个预埋渗压计数值统计曲线图和注水管内流速曲线变化图，如图4和图5所示，所测得规律符合水的一般分布特征，并由此可以得出：随着注水压力的增加，模型内水压力在增加，距离注水点越近，压力越大，但四个测点的压力绝对值均远小于注水压力，表明注水新型防排水构造内的水可以快速排出模型外，不会因排导不畅而导致水流囤积水压变大，排导性能良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括长为800cm，宽为150cm，高为45cm的立体模拟隧道，所述模拟隧道的长800cm模拟的是隧道的环向，所述模拟隧道的宽150cm模拟的是隧道的纵向，所述模拟隧道的纵向中心线方向设置环向施工缝，所述模拟隧道的高45cm模拟的是隧道的断面厚度，且所述断面厚度包括初支厚度为10cm的喷射混凝土和初砌厚度为35cm的模筑素混凝土，且所述初支和所述初砌之间从上到下依次贴合有防水板、排水板和止水带，所述防水板与初支贴合，所述止水带与初砌贴合，且所述防水板、排水板之间安装有若干检测的渗压计，所述环向施工缝开设在止水带外壁的模筑素混凝土上；

所述模拟隧道的两端分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，用于试验进排水，所述模拟隧道的两侧分别安装有若干伸入到防水板和排水板之间缝隙的水管，每根所述水管连接有阀门控制开关。

2.根据权利要求1所述的一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的试验方法，其特征在于，包括步骤如下：

S1：所述模拟隧道模型制作完毕，达到设定养护强度以后，打开模拟隧道的两端头水管，开展一端进水，另一端出水的注水试验，调节注水压力，测定不同工况下的结构防排水性能；

S2：对S1的注水试验的指标进行分析：测定从开始注水到排水管出水时间、排水管排出水量、注水管注入水量、渗压计压力值比，判定模型排水性能；

S3：然后根据试验情况调节注水方式，打开模拟隧道两侧的水管，开展一侧进水，另一端出水的注水试验，调节注水压力，测定相关指标；

S4：对S3的注水试验的指标进行分析： 通过渗压计压力值分析内部水的分布状态，观察施工缝渗水情况，判断新型防排水构造防水效果；

S5：当所有试验完毕后，开展注水加压击穿试验，研究新型防排水结构的极限防排水能力。

3.根据权利要求2所述的一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的试验方法，其特征在于，所述S1的注水压力和所述S2的注水压力均为0.05MPa-1MPa，且均分为若干组注水压力进行试验。

4.根据权利要求2所述的一种模拟隧道环向施工缝防排水性能改良的试验装置的试验方法，其特征在于，所述S1养护强度须在模拟隧道的强度达到95%以上以后才能进行注水试验。

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