CN116752994A - 一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，包括：复合隧道模型，内置有可更换的防水夹层和数据测试组件；壳体，套设在复合隧道模型外侧，壳体内壁与复合隧道模型外壁之间为用于注水的施压腔，施压腔分隔为若干互不连通的腔室；隔水装置，设置在壳体与复合隧道模型之间，且用于连通或分隔壳体与复合隧道模型。本发明能够实现精确控制初期支护与二次衬砌的渗透系数与防水夹层的防水效果，测量复合隧道模型不同位置的应力及背后的水压，用以分析复合式结构在不同水头高度与材料渗透系数下的水压力分布规律和结构受力特征及隧道渗漏水量，建立水头高度及结构渗透性对衬砌自防水安全性的关联。

Description

一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统及方法
技术领域
本发明属于隧道工程试验设备技术领域，尤其涉及一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统及方法。
背景技术
现有技术中，复合式衬砌结构多采用防水夹层(防水板或防水膜)作为连接初期支护(初期喷射混凝土)和二次衬砌(二次喷射混凝土)的复合式防水衬砌结构，但多数的复合式衬砌结构为了提高复合程度设计为自防水结构，结构直接暴露在全部水压下，使作用于衬砌上的水压力成为衬砌破坏的重要原因，这也是目前复合式防水衬砌结构无法广泛推广的原因之一。
目前存在很多模拟单一种类防水层复合式衬砌的水压研究装置，该类装置大多只能实现调节外部水压的功能，缺乏对不同种类防水结构的复合式衬砌水压研究装置，然而在衬砌防水结构优化时，需要对不同防水结构，不同水压下的衬砌承载能力和渗漏水量进行比选研究，同时需要能够真实模拟不同防水结构且更换简单的衬砌水压与渗漏监测装置。以往试验技术手段多采用均匀水压对衬砌进行研究，无法真实模拟作用于衬砌不同位置的水压，且不同防水结构的渗漏量的收集装置不够精细，多采用的细排水管容易回流影响真实的渗漏量，需要改进试验设备，能够对复合式防水衬砌结构的真实水压和渗漏水量进行试验模拟，研究真实水压对不同种类防水结构的复合式衬砌结构的影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统及方法，能够实现精确控制初期支护与二次衬砌的渗透系数与防水夹层的防水效果，测量复合隧道模型不同位置的应力及背后的水压，用以分析复合式结构在不同水头高度与材料渗透系数下的水压力分布规律和结构受力特征及隧道渗漏水量，建立水头高度及结构渗透性对衬砌自防水安全性的关联。
为实现上述目的，本发明提供了一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，包括：
复合隧道模型，内置有可更换的防水夹层和数据测试组件；
壳体，套设在所述复合隧道模型外侧，所述壳体内壁与所述复合隧道模型外壁之间为用于注水的施压腔，所述施压腔分隔为若干互不连通的腔室；
隔水装置，设置在所述壳体与所述复合隧道模型之间，且用于连通或分隔所述壳体与所述复合隧道模型；
供水组件，具有若干出水压力可调的出水端，所述供水组件的不同出水端分别与不同的所述腔室连通；
渗流收集组件，与所述复合隧道模型的出水端连通，且用于收集所述复合隧道模型的渗水。
进一步的，所述复合隧道模型包括初期支护和设置在所述初期支护内的二次衬砌，所述防水夹层位于所述初期支护内壁与所述二次衬砌外壁之间；
所述初期支护和所述二次衬砌内分别埋设有排水管组，所述初期支护内通过所述排水管组与所述腔室连通，所述二次衬砌内通过所述排水管组与所述二次衬砌与所述初期支护之间连通。
进一步的，所述二次衬砌内壁固接有引流层，所述引流层包括单向透水膜，所述单向透水膜具有相对设置的憎水纤维层和土工织物透水层，所述土工织物透水层与所述二次衬砌内壁固接。
进一步的，所述数据测试组件包括孔隙水压力计和应变片，所述初期支护和所述二次衬砌内均环向埋设有若干所述孔隙水压力计和所述应变片，所述孔隙水压力计和所述应变片通过信号线连接有静态应变仪，所述静态应变仪与计算机电性连接。
进一步的，所述外壳包括若干分壳体，若干所述分壳体拼合形成与所述复合隧道模型匹配的环形结构，相邻两所述分壳体通过螺栓连接固定，且通过密封垫分隔，每一所述分壳体为一所述腔室，所述分壳体的进水端上固定有输水阀门，所述输水阀门与所述供水组件的一出水端连通，所述分壳体上连通用于检测所述分壳体内水压的水压力表；
设置在最上方的所述分壳体上连通有排气阀门，设置在最下方的所述分壳体上连通有排水阀门，所述排水阀门出水端与所述供水组件进水端连通。
进一步的，所述供水组件包括水箱，所述水箱的出水端连通有若干导水管，所述水箱通过不同的所述导水管与不同的所述腔室连通，所述导水管上设置有变频恒压水泵；
所述导水管上还设置有管中阀门和水泵阀门。
进一步的，所述渗流收集组件包括固定在所述复合隧道模型两端的收集罩，所述收集罩与所述复合隧道模型内壁连通，所述收集罩出水端通过渗漏水导管连通有收集槽；
所述收集槽内设置有液位传感器，所述收集槽与所述供水组件连通。
进一步的，所述隔水装置包括若干层板体，所述板体侧壁开设有条形缝隙，最外侧所述板体和最内侧所述板体与所述壳体内壁固定，除最外侧所述板体和最内侧所述板体外，至少一个所述板体相对于所述复合隧道模型可旋转，若干所述板体上的条形缝隙平行设置，所述壳体与所述复合隧道模型连通，若干所述板体上的条形缝隙错缝设置，所述壳体与所述复合隧道模型分隔。
进一步的，最内侧的所述板体内壁固接有孔隙加载板。
一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统的使用方法，
S1、根据试验要求，浇筑制作复合隧道模型并设置防水夹层；
S2、向复合隧道模型外套设固定隔水装置；
S3、向隔水装置外套设固定壳体，封闭壳体端部与复合隧道模型端部之间的间隙；
S4、开始试验，选择隔水装置连通或分隔复合隧道模型与壳体，根据隔水装置连通或分隔复合隧道模型与壳体选择防水夹层种类，启动供水组件向腔室内注水对复合隧道模型注水施压。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1.壳体的设置有多个单独存在腔室，同时在供水组件的作用下，可对不同腔室内的水压进行调节，研究因为岩溶等原因造成不均匀水压下衬砌各结构的水压力和变形；同时，复合隧道模型内壁设置，实现维持流入隧道内部的水量不再渗出，以精准测定隧道渗漏水量。
2.设置可更换的防水夹层，可以模拟透水型与不透水型隧道结构，研究不同的结构特点；设置隔水装置，实现对水压施加到复合隧道模型的灵敏控制，保证了渗漏水量的合理性、
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为试验系统的结构示意图；
图2为复合隧道模型结构示意图；
图3为二次衬砌和初期支护与数据测试组件连接关系结构示意图；
图4为数据测试组件分布示意图；
图5为引流层的立体图；
图6为壳体的立体图；
图7为通道口与第二层板位置关系的立体图；
图8为第一层板与第三层板连接关系的立体图；
图9为隔水开关与第二层板连接关系的立体图；
图10为复合隧道模型与壳体端部连接关系的结构示意图；
图11为初期支护背后的孔隙水压力示意图；
图12为二次衬砌背后的孔隙水压力示意图；
其中，1、分壳体；2、螺栓；3、输水阀门；4、水压力表；5、排气阀门；6、排水阀门；7、变频恒压水泵；8、水箱；9、隔水装置；10、第一层板；11、第二层板；12、第三层板；13、隔水开关；14、孔隙加载板；15、二次衬砌；16、初期支护；17、排水管；18、单向透水膜；19、土工织物透水层；20、憎水纤维层；21、防水夹层；22、孔隙水压力计；23、应变片；24、数据线；25、通道口；26、计算机；27、收集罩；28、液位传感器；29、引流层；30、收集槽；31、循环水管阀门；32、管中阀门；33、水泵阀门；34、水箱排水口；35、水箱进水口；36、膨胀止水条。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-图12，本发明提供一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，包括：复合隧道模型，内置有可更换的防水夹层21和数据测试组件。复合隧道模型即为复合式衬砌隧道结构，复合隧道模型采用圆形断面隧道，能够模拟城市轨道交通工程且制作方便，形状可控性高，更易模拟均匀/不均匀水压作用下的隧道状态。数据测试组件用于监测复合隧道模型在试验过程中的孔隙水压力。
壳体，套设在复合隧道模型外侧，壳体内壁与复合隧道模型外壁之间为用于注水的施压腔，施压腔分隔为若干互不连通的腔室。壳体为与复合隧道模型适配的环形结构，壳体可以固定在试验支架上，保证壳体套设在复合隧道模型外侧且与复合隧道模型外壁之间具有空隙形成施压腔。施压腔由多个不连通的腔室组成，通过供水组件分别向不同的腔室内供水，可实现不同的腔室具有不同的水压力。
隔水装置9，设置在壳体与复合隧道模型之间，且用于连通或分隔壳体与复合隧道模型。隔水装置与壳体形成一密封的整体，通过对隔水装置的调节，实现壳体内与复合隧道模型外侧的连通或者不连通。
供水组件，具有若干出水压力可调的出水端，供水组件的不同出水端分别与不同的腔室连通。供水组件用于向腔室内供水，其具有多个可单独调节出水压力的出水端。
渗流收集组件，与复合隧道模型的出水端连通，且用于收集复合隧道模型的渗水。渗流收集组件用于收集复合隧道模型的渗流水。
进一步优化方案，参照图1、图2，复合隧道模型包括初期支护16和设置在初期支护16内的二次衬砌15，防水夹层21位于初期支护16内壁与二次衬砌15外壁之间；初期支护16和二次衬砌15内分别埋设有排水管组，初期支护16内通过排水管组与腔室连通，二次衬砌15内通过排水管组与二次衬砌15与初期支护16之间连通。
可以理解的，初期支护16和二次衬砌15的主体均由石膏制作，其内部均含有排水管组，初期支护16和二次衬砌15内的排水管组的排水管17数量相同/不同，用于模拟不同渗透系数的初期支护16和二次衬砌15，同时，根据试验需求，对初期支护16和二次衬砌15的厚度进行调节改变，预制多个初期支护16和二次衬砌15模型，可实现不同位置结构透水性能和厚度的改变。
其中，排水管17优选但不限于采用细PVC管，根据指定的渗透系数折算所需的排水量。
本发明的一个具体实施例中，防水夹层21为EVA薄膜，EVA薄膜与实际喷膜材料性能形似，可以模拟防水膜作为防水夹层21的不透水型隧道模型。
具体的，EVA薄膜通过环氧树脂涂抹均匀双面粘结在初期支护16和二次衬砌15之间，以模拟实际喷膜防水材料的双面粘结性能。
本发明的一个具体实施例中，防水夹层21为透水土工膜，透水土工膜具有高渗透性，可以作为透水型隧道模型的中间夹层材料使用。
本发明的一个具体实施例中，防水夹层为EVA薄膜与透水土工布组合，EVA薄膜与透水土工布共同使用可以模拟防水板为防水夹层21的不透水型隧道模型。
进一步优化方案，参照图1、图2、图5，二次衬砌15内壁固接有引流层29，引流层29包括单向透水膜18，单向透水膜18具有相对设置的憎水纤维层20和土工织物透水层19，土工织物透水层19与二次衬砌15内壁固接。
可以理解的，单向透水膜18一侧为憎水纤维材料构成的细孔憎水面，即憎水纤维层20，另一侧为透水土工织物构成的粗孔透水面，即土工织物透水层19。在复合隧道模型制作时，将该单向透水膜18铺设于二次衬砌15内壁，憎水纤维层20远离二次衬砌15内壁，土工织物透水层19靠近二次衬砌15内壁并密贴二次衬砌15内壁。
进一步的，在憎水纤维层20的表面上做遇水着色处理，通过遇水变色的特性观察最先渗水的位置。
进一步优化方案，参照图3、图4，数据测试组件包括孔隙水压力计22和应变片23，初期支护16和二次衬砌15内均环向埋设有若干孔隙水压力计22和应变片23，孔隙水压力计22和应变片23通过信号线连接有静态应变仪，静态应变仪与计算机26电性连接。
可以理解的，孔隙水压力计22和应变片23埋设于初期支护16和二次衬砌15中，沿初期支护16、二次衬砌15环向分布多个。并且，通过埋置的信号线分别延伸至复合隧道模型两端的出线口，与设置在复合隧道模型外部的静态应变仪连接，静态应变仪的数据通过计算机26显示。
进一步的，参照图10，复合隧道模型两端口侧壁和壳体两端口侧壁之间采用遇水膨胀止水条36填充，并为数据测试系统的数据线24和隔水开关13留有通道口25，以保证在密封的条件下测量数据的传输和隔水装置9的正常使用。通道口25中的数据线24连接在外部计算机26上，实现数据的直观可视化和动态监控。
进一步的，孔隙水压力计22的检测头通过纱布包裹，防止在进行复合隧道模型浇筑时堵塞。
进一步优化方案，参照图1、图6，外壳包括若干分壳体1，若干分壳体1拼合形成与复合隧道模型匹配的环形结构，相邻两分壳体1通过螺栓2连接固定，且通过密封垫分隔，每一分壳体1为一腔室，分壳体1的进水端上固定有输水阀门3，输水阀门3与供水组件的一出水端连通，分壳体1上连通用于检测分壳体1内水压的水压力表4。
具体的，壳体由多个分壳体1拼装而成，多个分壳体1形成适应隧道模型的环形结构，每个分壳体1的横截面均为圆弧形。相邻分壳体1之间通过螺栓2和密封垫连接。其中，螺栓2采用高强度螺栓。分壳体1的数量可根据实际试验要求设置，例如分壳体1的数量为四个、五个、六个等。
其中，每个分壳体1均设有壳体进水口，壳体进水口安装有输水阀门3，壳体进水口通过进水管道与供水组件连通；每个分壳体1在壳体进水口的一侧安装用于测量壳体水压的水压力表4。
本发明的一个具体实施方式，分壳体1以四个为例，具有一个位于最上方的分壳体1和一个位于最下方的分壳体1，设置在最上方的分壳体1上连通有排气阀门5，设置在最下方的分壳体1上连通有排水阀门6，排水阀门6出水端与供水组件进水端连通。
具体的，壳体轴线方向水平设置，位于顶部的分壳体1设有排气口，排气口安装排气阀门5；位于底部的分壳体1设有壳体排水口，壳体排水口安装排水阀门6。
进一步优化方案，参照图1，供水组件包括水箱8，水箱8的出水端连通有若干导水管，水箱8通过不同的导水管与不同的腔室连通，导水管上设置有变频恒压水泵7。
具体的，供水组件通过多跟导水管与分壳体1连通，在每一导水管上分别设置有变频恒压水泵7，该变频恒压水泵7可以向分壳体1上的壳体进水口持续供水，调整变频恒压水泵7的注水量能够提供不同的水压值。水箱8底部设有水箱排水口34，水箱8侧面设有水箱进水口35。
导水管上还设置有管中阀门32和水泵阀门33。其中，管中阀门32和水泵阀门33用于实现导水管的关闭/开启。
进一步优化方案，参照图1，渗流收集组件包括固定在复合隧道模型两端的收集罩27，收集罩27与复合隧道模型内壁连通，收集罩27出水端通过渗漏水导管连通有收集槽30。
具体的，收集罩27设置于复合隧道模型两端，呈漏斗状，收集罩27底部连接渗漏水导管的一端，渗漏水导管另一端连接收集槽30，渗漏水由收集罩27通过渗漏水导管引流至收集槽30。收集槽30一侧通过循环水管连接水箱8，且循环水管靠近收集槽30一端安装有循环水管阀门31，循环水管上还安装有另一变频恒压水泵7。
收集槽30内设置有液位传感器28，收集槽30与供水组件连通。
其中，液位传感器28作为测试结构件使用，通过液位传感器28可快速准确采集收集槽30内的液位信号，液位传感器28可通过电信号将液位变化传输给计算机26，计算机26可将液位变化值与时间换算出在实时水量随时间的变化(瞬时渗漏速度)和总水量随时间的变化(平均渗漏速度)，同时变频恒压水泵7可将渗漏水送至水箱8使水循环利用。
进一步优化方案，隔水装置9包括若干层板体，板体侧壁开设有条形缝隙，最外侧板体和最内侧板体与壳体内壁固定，除最外侧板体和最内侧板体外，至少一个板体相对于复合隧道模型可旋转，若干板体上的条形缝隙平行设置，壳体与复合隧道模型连通，若干板体上的条形缝隙错缝设置，壳体与复合隧道模型分隔。
隔水装置9用于可选择的分隔或连通壳体与复合隧道模型，该隔水装置9与复合隧道模型适配呈圆柱型，并且与复合隧道模型同轴设置，该隔水装置9具有多个依次套设的板体，并且在板体上分布每层板分布有多个条形缝隙，条形缝隙沿壳体轴向设置。相邻板体之间可以相对移动，以形成错缝，从而控制水的通过。当各层板体的条形缝隙位置对应时，形成水的通路；同理，条形缝隙位置改变也可以形成不透水的密封结构。
其中，板体可以为三层、四层、五层等。
本发明的一个具体实施例中，参照图7、图8、图9，以板体为三层为例，即从外到内依次设置的第一层板10、第二层板11和第三层板12。并且，在第二层板11上固定有隔水开关13，用于驱动第二层板11相对于第一层板10和第三层板12旋转。
进一步优化方案，最内侧的板体内壁固接有孔隙加载板14。
其中，在最内侧的板体的内壁设有孔隙加载板14，孔隙加载板14可控制水压均匀到达复合隧道模型外壁。
进一步的，参照图2，孔隙加载板14采用孔隙介质材料加工而成，使壳体内水力路径更加均匀，优化了水压加载效果，孔隙加载板14选用但不限于为透水石材料加工制成。
其中，根据流量相似比例，可将单层防水衬砌的渗水能力换算成模型测试得到的渗漏水量。单层防水衬砌水压力计算方法包括：
隧道开挖后，假设渗流路径在围岩中是均匀连续的，将围岩视作环向分布于隧道断面外，各个方向的水压均匀作用于衬砌上。
确定各结构到隧道中心的内外径，以及初期支护16与二次衬砌15的渗透系数与厚度，确定施加的水头高度。
根据渗流连续型方程与Darcy定律计算初期支护16与二次衬砌15背后的水头，再根据容重计算得到初期支护16背后的孔隙水压力和二次衬砌15背后的孔隙水压力，并获得每延米隧道的渗漏量。
一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统的使用方法，
S1、根据试验要求，浇筑制作复合隧道模型并设置防水夹层21。
其中，复合隧道模型以1：20的比例制作二次衬砌15和初期支护16，采用石膏作为复合隧道模型的相似材料，石膏中设置一定数量的细PVC管，根据指定的渗透系数折算所需的排水量，初期支护16与二次衬砌15均由模板模筑而成，制作多组初期支护16和二次衬砌15，分别设置不同的厚度和渗透系数。在浇筑二次衬砌15时在二次衬砌15内壁施加单向透水膜18作为隧道内壁引流层29，该膜一面为土工织物透水层19，该层面向二次衬砌15设置透水性良好，渗透系数为大于100m/d，一面为憎水纤维层20，由于该面由超细孔隙制成且表面采用憎水纤维处理，渗透系数很低几乎不透水，设置憎水面一端纤维为黑色表面经过二氧化硅涂料处理，根据光的反射原理在遇水时会变透明，实现不污染水使水变色的前提下渗水位置产生颜色变化。
针对复合式夹层衬砌形式，在二次衬砌15与初期支护16之间增设防水夹层21，防水夹层21在复合隧道模型浇筑时设置。
其中，模拟透水型隧道模型时单独选用透水土工布作为防水夹层21；模拟不透水结构时选用EVA薄膜作为防水夹层21，根据相似原理防水夹层相对于衬砌的厚度几乎可以忽略不计，因此采用EVA薄膜。
上述不透水型隧道模型有两种形式：
1.采用环氧树脂涂抹EVA薄膜两面，实现防水膜与二次衬砌15和初期支护16的粘结，进一步实现衬砌的复合作用。
2.采用透水土工膜与EVA膜组合的方式，透水土工膜覆盖在EVA膜上，透水土工膜可模拟传统式衬砌排水管的作用，EVA膜可模拟传统式衬砌防水板作用，将孔隙水压力计22与应变片23按照要求设置在复合隧道模型的初期支护16内和二次衬砌15内，径向设置三排测试位置，环向设置在圆周的八个测试位置，共48组位置，孔隙水压力计22由纱布包裹，防止堵塞。
S2、向复合隧道模型外套设固定隔水装置9。
隔水装置9采用三层带缝钢板制成，通过焊接与分壳体1连接，三层之间可以自由错缝移动，可控制水的通过，当三层钢板平行时形成水的通路，当第一层板10、第三层板12与第二层板11形成错缝时，形成不透水的密封结构，在第二层板11有控制其移动的隔水开关13，通过移动隔水开关13控制隔水装置9的出水。
将孔隙加载板14设置在隔水装置9和复合隧道模型之间，孔隙加载板14采用多孔的透水石材料按照隧道外径的形状制作，实现水压通过隔水装置后均匀施加在隧道模型上。
S3、向隔水装置9外套设固定壳体，封闭壳体端部与复合隧道模型端部之间的间隙。
壳体由四个分壳体1构成，分壳体1均采用钢板制作，采用多个螺栓2并排连接四个分壳体1，螺栓2之间由密封垫保证壳体密封性，侧壁中心预留隧道模型的两端开口通道，壳体上的输水阀门3、排水阀门6、排气阀门5和水压力表4通过焊接固定，壳体与复合隧道模型之间用密封止水橡胶隔离。将外壳固定到试验支架上。
S4、开始试验，选择隔水装置9连通或分隔复合隧道模型与壳体，根据隔水装置9连通或分隔复合隧道模型与壳体选择防水夹层21种类，启动供水组件向腔室内注水对复合隧道模型注水施压。
将供水组件中的变频恒压水泵7与导水管连接，变频恒压水泵7共有五个，分别连接水箱8和分壳体1、水箱8与渗水收集组件，各导水管上的阀门均为可控制开关大小的调节阀，将四个分壳体1所连接的变频恒压水泵7固定于试验支架上，四个变频恒压水泵7可分别设定特定的水压，使作用在隧道模型四个位置的水压分别可控，导水管可持续通过水箱8供水。
其中，收集罩27与复合隧道模型内侧的二次衬砌15内壁的引流层29搭接，收集罩27口略低于二次衬砌15内壁的引流层29，收集罩27为漏斗状，渗漏水导管连接在收集罩27与收集槽30之间，收集槽30底部有液位传感器28，收集槽侧壁有液晶显示器可显示瞬时渗漏速度和平均渗漏速度，收集槽30底部设置循环水管阀门31可控制渗漏水流入变频恒压水泵7。
变频恒压水泵7与水压测试系统连接的导水管上共设置三个阀门，输水阀门3设置在水压测试系统进水口处，输水阀门3具有打开和关闭水压测试系统的功能，管中阀门32设置在输水管中的分支输水管处，水泵阀门33设置在变频恒压水泵处，管中阀门32和水泵阀门33协同控制水压和渗流稳定。
水箱连接四个导水管、一个循环水管道，一个水箱排水口34，一个水箱进水口35。
依托工程中实际情况，试验原理是夹层式衬砌水压力和渗漏水公式，采用以半径方向为r轴隧道轴线为z轴的柱坐标方程对拉普拉斯方程进行变换，进一步根据达西定律对方程进行整合变换得到以下计算公式；
参照图11，初期支护16背后的孔隙水压力：
参照图12，二次衬砌15背后的孔隙水压力：
隧道每延米渗漏水量：
式中r表示隧道内径(m)；△rs表示二次衬砌厚度(m)；△rp表示初期支护厚度(m)；k表示围岩渗透系数；ks表示二次衬砌渗透系数；kp表示初期支护渗透系数；
H表示隧道围岩外水头(m)，其求得公式为：
P表示围岩外水压(Pa)；Ps表示二次衬砌背后孔隙水压力(Pa)；Pp表示初期支护背后孔隙水压力(Pa)；Q表示隧道每延米的渗漏水量；γ表示水的容重。
对于非圆形单层防水隧道可采用等效周长，等效面积或等效半径公式等方法换算成圆形隧道各层结构的内外半径，进一步用以计算各位置水压和渗漏水量。
等效周长：
R1为使用等效周长法得到的半径，l0为隧道的周长。
等效面积：
R2为使用等效面积法得到的半径，A0为隧道的面积。
等效半径：
R3为使用等效半径法得到的半径，A为过水断面的面积，x为隧道的湿周。
(2)试验实施过程：
打开水箱进水口35在水箱8内注入一定量的水，打开变频恒压水泵7、水泵阀门33、输水阀门3、排气阀门5，关闭排水阀门6，向水压测试系统持续注水直至注满，关闭排气阀门5，调节管中阀门32、水泵阀门33、排水阀门6，观察各水压力表4的指针达到预定水压，水压测试系统四个方向的水压可设置为不同的大小，待水压稳定后，打开位于通道口25的隔水开关13，记录计算机26显示的水压力和应变量，观察液晶显示器渗漏水情况。
a.透水型隧道模型试验：
透水结构试验采用防水夹层21为透水土工膜的隧道模型，分别对多组不同厚度与渗透系数设定的初期支护16与二次衬砌15进行试验，记录液晶显示器的质量和时间，换算出模型的渗漏水量，一组试验结束后关闭隔水开关13，待稳定一段时间后，打开循环水管阀门31和变频恒压水泵7将渗漏水泵入水箱8中，相同的外水压下以上操作重复至少三次，获得平均的渗漏水量。
接下来的各组试验换取其他隧道模型继续重复以上操作。通过比较各组试验计算机26和液晶显示器的结果，研究各结构厚度和渗透系数对隧道水压和渗漏水量的影响，记录隧道模型各结构应变和变形特征。
b.不透水型隧道模型试验：
不透水型隧道模型试验采用EVA薄膜作为防水夹层21，根据结构的复合作用，采用通过环氧树脂双面粘结后的复合式隧道模型，并通过逐级调节四个方向的管中阀门32、水泵阀门33，以及底部分壳体1上的排水阀门6，实现对四个方向外水压的改变；设置一组均匀水压和多组不均匀水压，每一级压力维持一段时间，直至防水夹层发生渗漏，观察单向透水膜18内壁上的颜色变化，确定渗漏水位置与模型破坏形式，并记录四个方向分壳体1上的水压力表4的外水压力值，根据计算机26实时采集的水压力与应变值。
采取对照试验，采用第2种不透水型隧道模型，重复上述步骤，实现对两种形式的隧道模型结构水压特征和应变变形特征的全程记录，通过对1与2两种不同透水型模型试验计算机26显示的数据进行对比，揭示双面粘结防水膜结构对复合式衬砌的复合作用。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：包括：
复合隧道模型，内置有可更换的防水夹层(21)和数据测试组件；
壳体，套设在所述复合隧道模型外侧，所述壳体内壁与所述复合隧道模型外壁之间为用于注水的施压腔，所述施压腔分隔为若干互不连通的腔室；
隔水装置(9)，设置在所述壳体与所述复合隧道模型之间，且用于连通或分隔所述壳体与所述复合隧道模型；
供水组件，具有若干出水压力可调的出水端，所述供水组件的不同出水端分别与不同的所述腔室连通；
渗流收集组件，与所述复合隧道模型的出水端连通，且用于收集所述复合隧道模型的渗水。
2.根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述复合隧道模型包括初期支护(16)和设置在所述初期支护(16)内的二次衬砌(15)，所述防水夹层(21)位于所述初期支护(16)内壁与所述二次衬砌(15)外壁之间；
所述初期支护(16)和所述二次衬砌(15)内分别埋设有排水管组，所述初期支护(16)内通过所述排水管组与所述腔室连通，所述二次衬砌(15)内通过所述排水管组与所述二次衬砌(15)与所述初期支护(16)之间连通。
3.根据权利要求2所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述二次衬砌(15)内壁固接有引流层(29)，所述引流层(29)包括单向透水膜(18)，所述单向透水膜(18)具有相对设置的憎水纤维层(20)和土工织物透水层(19)，所述土工织物透水层(19)与所述二次衬砌(15)内壁固接。
4.根据权利要求2所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述数据测试组件包括孔隙水压力计(22)和应变片(23)，所述初期支护(16)和所述二次衬砌(15)内均环向埋设有若干所述孔隙水压力计(22)和所述应变片(23)，所述孔隙水压力计(22)和所述应变片(23)通过信号线连接有静态应变仪，所述静态应变仪与计算机(26)电性连接。
5.根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述外壳包括若干分壳体(1)，若干所述分壳体(1)拼合形成与所述复合隧道模型匹配的环形结构，相邻两所述分壳体(1)通过螺栓(2)连接固定，且通过密封垫分隔，每一所述分壳体(1)为一所述腔室，所述分壳体(1)的进水端上固定有输水阀门(3)，所述输水阀门(3)与所述供水组件的一出水端连通，所述分壳体(1)上连通用于检测所述分壳体(1)内水压的水压力表(4)；
设置在最上方的所述分壳体(1)上连通有排气阀门(5)，设置在最下方的所述分壳体(1)上连通有排水阀门(6)，所述排水阀门(6)出水端与所述供水组件进水端连通。
6.根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述供水组件包括水箱(8)，所述水箱(8)的出水端连通有若干导水管，所述水箱(8)通过不同的所述导水管与不同的所述腔室连通，所述导水管上设置有变频恒压水泵(7)；
所述导水管上还设置有管中阀门(32)和水泵阀门(33)。
7.根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述渗流收集组件包括固定在所述复合隧道模型两端的收集罩(27)，所述收集罩(27)与所述复合隧道模型内壁连通，所述收集罩(27)出水端通过渗漏水导管连通有收集槽(30)；
所述收集槽(30)内设置有液位传感器(28)，所述收集槽(30)与所述供水组件连通。
8.根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：所述隔水装置(9)包括若干层板体，所述板体侧壁开设有条形缝隙，最外侧所述板体和最内侧所述板体与所述壳体内壁固定，除最外侧所述板体和最内侧所述板体外，至少一个所述板体相对于所述复合隧道模型可旋转，若干所述板体上的条形缝隙平行设置，所述壳体与所述复合隧道模型连通，若干所述板体上的条形缝隙错缝设置，所述壳体与所述复合隧道模型分隔。
9.根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：最内侧的所述板体内壁固接有孔隙加载板(14)。
10.一种复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统的使用方法，根据权利要求1所述的复合式衬砌水压力及渗漏水量模型试验系统，其特征在于：
S1、根据试验要求，浇筑制作复合隧道模型并设置防水夹层(21)；
S2、向复合隧道模型外套设固定隔水装置(9)；
S3、向隔水装置(9)外套设固定壳体，封闭壳体端部与复合隧道模型端部之间的间隙；
S4、开始试验，选择隔水装置(9)连通或分隔复合隧道模型与壳体，根据隔水装置(9)连通或分隔复合隧道模型与壳体选择防水夹层(21)种类，启动供水组件向腔室内注水对复合隧道模型注水施压。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3753729B1 (ja) * 2005-01-07 2006-03-08 株式会社ケー・エフ・シー トンネル防水構造
CN201496072U (zh) * 2009-08-31 2010-06-02 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种可调节水压力的全封闭防水复合式衬砌结构
CN203742623U (zh) * 2014-03-24 2014-07-30 招商局重庆交通科研设计院有限公司 隧道复合抗水压结构
JP2015155626A (ja) * 2014-02-21 2015-08-27 大成建設株式会社 トンネル構造および覆工背面水圧調整方法
CN107178393A (zh) * 2017-07-07 2017-09-19 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种隧道二次衬砌水压力控制结构
CN109441535A (zh) * 2018-11-09 2019-03-08 中国十七冶集团有限公司 一种隧道防排水系统及其施工方法
CN109724865A (zh) * 2019-02-26 2019-05-07 中铁二院工程集团有限责任公司 隧道衬砌水压监测系统试验装置及试验方法
CN210264737U (zh) * 2019-06-25 2020-04-07 深圳市综合交通设计研究院有限公司 一种全包防水抗水压复合衬砌结构
CN111933007A (zh) * 2020-07-22 2020-11-13 北京交通大学 一种隧道渗漏水治理模型试验装置
CN212003255U (zh) * 2020-03-10 2020-11-24 中南大学 一种隧道衬砌层间被动排水系统
AU2020103783A4 (en) * 2020-10-21 2021-02-11 China Institute Of Water Resources And Hydropower Research Tunnel adaptive lining structure in complex environment and construction method thereof
JP2021059933A (ja) * 2019-10-09 2021-04-15 藤森工業株式会社 トンネル用防水シート
CN115235909A (zh) * 2022-09-23 2022-10-25 四川藏区高速公路有限责任公司 隧道衬砌水压监测系统试验装置
CN115855663A (zh) * 2022-11-17 2023-03-28 中铁十六局集团第四工程有限公司 适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3753729B1 (ja) * 2005-01-07 2006-03-08 株式会社ケー・エフ・シー トンネル防水構造
CN201496072U (zh) * 2009-08-31 2010-06-02 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种可调节水压力的全封闭防水复合式衬砌结构
JP2015155626A (ja) * 2014-02-21 2015-08-27 大成建設株式会社 トンネル構造および覆工背面水圧調整方法
CN203742623U (zh) * 2014-03-24 2014-07-30 招商局重庆交通科研设计院有限公司 隧道复合抗水压结构
CN107178393A (zh) * 2017-07-07 2017-09-19 中铁第四勘察设计院集团有限公司 一种隧道二次衬砌水压力控制结构
CN109441535A (zh) * 2018-11-09 2019-03-08 中国十七冶集团有限公司 一种隧道防排水系统及其施工方法
CN109724865A (zh) * 2019-02-26 2019-05-07 中铁二院工程集团有限责任公司 隧道衬砌水压监测系统试验装置及试验方法
CN210264737U (zh) * 2019-06-25 2020-04-07 深圳市综合交通设计研究院有限公司 一种全包防水抗水压复合衬砌结构
JP2021059933A (ja) * 2019-10-09 2021-04-15 藤森工業株式会社 トンネル用防水シート
CN212003255U (zh) * 2020-03-10 2020-11-24 中南大学 一种隧道衬砌层间被动排水系统
CN111933007A (zh) * 2020-07-22 2020-11-13 北京交通大学 一种隧道渗漏水治理模型试验装置
AU2020103783A4 (en) * 2020-10-21 2021-02-11 China Institute Of Water Resources And Hydropower Research Tunnel adaptive lining structure in complex environment and construction method thereof
CN115235909A (zh) * 2022-09-23 2022-10-25 四川藏区高速公路有限责任公司 隧道衬砌水压监测系统试验装置
CN115855663A (zh) * 2022-11-17 2023-03-28 中铁十六局集团第四工程有限公司 适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法

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