隧洞围岩与衬砌结构承载体系水-力耦合试验方法技术

本发明专利技术公开了一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水

【技术实现步骤摘要】
隧洞围岩与衬砌结构承载体系水
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力耦合试验方法


[0001]本专利技术涉及长距离输水隧洞试验结构模型
，具体地指一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水
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力耦合试验方法。

技术介绍

[0002]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
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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
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衬砌结构稳定性是重要的岩土力学难题。
[0003]寻找行之有效的等围岩压力和高外水下联合承载的水
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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
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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
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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。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是能够真实模拟长距离输水隧洞围岩
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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
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力耦合试验方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术研制出了一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水
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力耦合试验方法，其特别之处在于，包括如下步骤：
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]进一步地，所述隧洞围岩与衬砌结构承载体系水
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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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]更进一步地，步骤3)中，所述反力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隧洞围岩与衬砌结构承载体系水
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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)；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(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：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所述的隧洞围岩与衬砌结构承载体系水
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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
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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。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
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力耦合试验方法，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)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄书岭，丁秀丽，李杉，张雨霆，吴勇进，刘登学，秦洋，马旭强，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：