隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统与方法技术方案

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。

The test system and method of bearing and waterproof for the coupling structure of tunnel surrounding rock and lining

【技术实现步骤摘要】
隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统与方法
本公开属于隧道衬砌受力防水性能试验
，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。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
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，但是据专利技术人了解，据专利技术人了解，目前有现有技术对此方面进行了研究，如申请号为201810386841.9的中国专利技术专利，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的中国专利技术专利，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，以上专利技术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。
技术实现思路
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垫块调整。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。...

【技术保护点】
1.隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统，其特征是：包括权利要求所述的反力密封框架装置、液压加载系统、高压注水加载系统和测试系统，其中：/n所述反力密封框架装置，其特征是：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。/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.隧道围岩与衬砌耦合结构承载防水试验系统，其特征是：包括权利要求所述的反力密封框架装置、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，其特征是：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。


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：所述液压油缸的位置由加载反力框架内设置有垫块调整。


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。


4.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。

【专利技术属性】
技术研发人员：王汉鹏，马正卫，章冲，刘人太，张庆松，薛阳，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37