一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法,涉及岩土工程试验装备技术领域，包括反力墙、与反力墙连接的传力垫板、顶部盖板、围岩模型、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙数量若干，各所述反力墙首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板与反力墙平行间隔设置,所述传力垫板位于环状墙体内侧，各所述传力垫板围合形成围岩模型置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板能够靠近或远离所述反力墙；所述顶部盖板密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型置放空间内注水；所述围岩模型内开有竖直延伸的隧洞，所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌。所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌。所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌。

【技术实现步骤摘要】
一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程试验装备
，具体涉及一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法。

技术介绍

[0002]岩石隧洞是指工程建设中设置于岩石中的，输水发电、泄洪导流、交通运输、场地连接等具有封闭断面的地下通道。围岩衬砌是指在地下工程中，为了加固围岩采用混凝土、钢筋混凝土等材料进行支护的工程措施。随着国家经济建设高速发展，铁路隧道、公路隧道、长距离输水隧洞、高压引水隧洞等用于运输、交通、水资源调配、水利水电等地下岩石隧洞或者说岩石隧道工程开始大规模建设。这些工程大多建设在我国的西部及西南高山峻岭地区，通常要穿越赋存环境和地质条件复杂的地层，可能面临埋深大、软岩大变形、岩爆、断层带围岩失稳、支护难度大等一系列工程难题；在运行过程中，还将面临复杂环境荷载的长期作用，如高地应力、高外水压力、活动断裂带的蠕滑等，对工程长期运行安全构成威胁。目前对地下岩石隧洞工程的稳定性研究主要集中在数值仿真计算和经验公式计算，在模型试验，特别是大比尺试验方面的研究较少。但是，当前在水利水电工程衬砌结构的模型试验研究方面，还存在若干的不足：(1)只对衬砌结构进行模型试验，加载主要采用轮毂模拟内、外水压力作用，此类试验可进行大比尺试验，但不能考虑围岩
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衬砌结构联合承载，不能考虑真实的水荷载作用效应；(2)考虑围岩
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衬砌结构联合承载，采用液压千斤顶或液压钢枕模拟围压的作用，此类试验比例尺一般较小，且没有考虑真实水荷载作用效应；(3)考虑围岩
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衬砌结构联合承载，采用真实水荷载模拟外水压力、内水压力作用效应，此类试验一般没有考虑围压效应，没有考虑围岩真实的受力状态，且试验装置难重复利用，成本代价较大。而且上述试验基本采用混凝土或岩体堆砌形成围岩结构，没有考虑复制的岩体结构状态。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置及试验方法，能够模拟水载荷以及围岩
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衬砌结构联合承载二者同时作用效果。
[0004]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0005]一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，包括反力墙、与反力墙连接的传力垫板、顶部盖板、围岩模型、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙数量若干，各所述反力墙首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板与反力墙平行间隔设置,所述传力垫板位于环状墙体内侧，各所述传力垫板围合形成围岩模型置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板能够靠近或远离所述反力墙；所述顶部盖板密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型置放空间内注水；所述围岩模型内开有竖直延伸的隧洞，所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌；所述传感模块用于实时采集围岩模型的力学数据。如上所述，本专利技术提供了一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置。在进行实际试验时，首先制作能够反应实际性能的围岩模型，围岩模型内各处
合理布置传感模块以以便后续采集试验过程中的围堰模型的力学数据。随后将围岩模型置入传力垫板围合形成围岩模型置放空间内，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板能够靠近或远离所述反力墙以实现对围岩模型进行力的加载，实现围岩
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衬砌结构联合承载的模拟试验。反力墙是整个装置的基础。所述围岩模型内开有竖直延伸的隧洞，所述隧洞的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌。围岩模型中的隧洞可以在传力垫板施力的条件下进行挖掘，以模拟实际开挖隧道时的岩石力学变化。所述顶部盖板密封装配于环状墙体的顶部，即地面、反力墙、顶部盖板围合形成密闭的试验空间，本装置具有的水力加载模块向该空间内注水，以模拟水载荷对围岩的作用效应。
[0006]进一步的技术方案：
[0007]所述反力墙包括剪力墙，所述剪力墙的两端分别固定有混凝土柱；各所述反力墙围合形成的环状区域底部铺设有润滑层，所述润滑层的顶部铺设有底部防水橡胶垫。
[0008]进一步的：所述混凝土柱外侧包裹有外包钢管，相邻所述混凝土柱通过若干横向H型钢梁连接，所述剪力墙包括间隔设置的外包钢板，两个外包钢板之间填充有高强混凝土，所述剪力墙中设置有连接筋。具体地来说，反力墙采用框架
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SRC剪力墙组合结构，其各混凝土柱采用钢管约束型钢混凝土柱结构，钢管约束型钢混凝土柱结构的外部采用方型钢管包裹，内部布置竖向的H型钢梁，并浇筑高强混凝土材料，每根钢管设置3个节点，并在节点断开处用来连接剪力墙内设的3根横向H型钢梁，在每面剪力墙内再布置3根竖向H型钢梁，这样纵、横交错的H型钢梁组成反力墙的骨架结构。这种结构约束效果好、轴压比限值高并充分利用高强混凝土和高强钢材的强度。在墙内布设水平钢筋、竖向钢筋和箍筋，组成墙体的钢筋网结构，在墙体两侧外包钢板上纵、横交错地焊接工字型钢，在外包钢板与钢筋网之间用上下左右均间距500mm的钢筋焊接在一起，连接筋弯成“U”字形状，保证弯折部分有足够的长度能够焊接在外包钢板上。最后在墙体内浇筑高强混凝土材料，形成整个反力承载装置。
[0009]进一步的：所述顶部盖板包括钢结构框架及设置在所述钢结构框架内的聚碳酸酯塑料板,所述聚碳酸酯塑料板透明。本专利技术中用于全密封的顶部盖板由钢结构框架、聚碳酸酯塑料组合而成，聚碳酸酯塑料具备高强度、高冲击强度、耐疲劳性、不会应力开裂等特征，且易成型、透明性好。采用高强钢组成顶部盖板的薄六面体形态的钢骨架，在钢骨架内部嵌入聚碳酸酯塑料厚板，在顶盖框架内部采用纵、横交错竖向分布的聚碳酸酯塑料厚板对顶盖进行加固。
[0010]进一步的：所述反力墙顶部开有密封槽，所述顶部盖板的底面设置有与所述密封槽对应的密封条；所述钢筋混凝土衬砌的顶端圆口边缘设置有密封垫片，所述顶部盖板设置有用于与所述密封垫片贴合连接的法兰盘；所述围岩模型的顶部铺设有顶部防水橡胶垫。在本技术特征中，依据反力墙顶部设置的密封槽的位置，对应地在顶盖下部焊接一圈密封条，同时依据隧洞衬砌结构的位置在顶盖下部连接一圈法兰盘，在围岩模型的顶部铺设有顶部防水橡胶垫，以避免水从顶盖和钢筋混凝土衬砌的顶端圆口边缘之间的缝隙渗漏，达到整个试验装置的全密封的目的。装置密封完成后，在顶盖部位通过四根钢梁与试验大厅内的大型反力墙内的孔洞相连，这样达到固定整个试验装置和承受顶盖反力的作用。
[0011]进一步的：所述围岩模型的材料包括岩石粉末、水泥砂浆。围岩模型可以通过3D打印技术来实现制造，其制造方法具体包括如下步骤：步骤1.通过地质测量、物探、钻探、地质
人员现场勘查和进行地质素描，获取隧洞(道)工程区域岩体的地层岩性特征、地质构造(断层、节理裂隙等结构面)特征、岩体风化特征等；步骤2.通过自编的三维地质建模软件构建能反映工程区域三维结构面网络系统的三维地质概化模型；步骤3.将三维地质概化模型进行等比例尺缩放至试验设计的尺寸比例，然后获取缩放模型的网格单元信息、节点坐标信息、结构面位置信息等，然后导入三维建模软件(如犀牛Rhino)；步骤4.在三维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，包括反力墙(1)、与反力墙(1)连接的传力垫板(2)、顶部盖板(3)、围岩模型(4)、围岩压力加载模块、水力加载模块和传感模块；所述反力墙(1)数量若干，各所述反力墙(1)首尾依次连接围合形成环状墙体，所述传力垫板(2)与反力墙(1)平行间隔设置,所述传力垫板(2)位于环状墙体内侧，各所述传力垫板(2)围合形成围岩模型(4)置放空间，在围岩压力加载模块的驱动下：所述传力垫板(2)能够靠近或远离所述反力墙(1)；所述顶部盖板(3)密封装配于环状墙体的顶部，所述水力加载模块能够向围岩模型(4)置放空间内注水；所述围岩模型(4)内开有竖直延伸的隧洞(43)，所述隧洞(43)的圆周表面铺设有钢筋混凝土衬砌(41)；所述传感模块用于实时采集围岩模型(4)的力学数据。2.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述反力墙(1)包括剪力墙(11)，所述剪力墙(11)的两端分别固定有混凝土柱(12)；各所述反力墙(1)围合形成的环状区域底部铺设有润滑层(13)，所述润滑层(13)的顶部铺设有底部防水橡胶垫(14)。3.根据权利要求2所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述混凝土柱(12)外侧包裹有外包钢管(121)，相邻所述混凝土柱(12)通过若干横向H型钢梁(122)连接，所述剪力墙(11)包括间隔设置的外包钢板(111)，两个外包钢板(111)之间填充有高强混凝土，所述剪力墙(11)中设置有连接筋(112)。4.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述顶部盖板(3)包括钢结构框架(31)及设置在所述钢结构框架(31)内的聚碳酸酯塑料板(32),所述聚碳酸酯塑料板(32)透明。5.根据权利要求4所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述反力墙(1)顶部开有密封槽(113)，所述顶部盖板(3)的底面设置有与所述密封槽(113)对应的密封条；所述钢筋混凝土衬砌(41)的顶端圆口边缘设置有密封垫片(42)，所述顶部盖板(3)设置有用于与所述密封垫片(42)贴合连接的法兰盘(33)；所述围岩模型(4)的顶部铺设有顶部防水橡胶垫(45)。6.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述围岩模型(4)的材料包括岩石粉末、水泥砂浆。7.根据权利要求1所述的一种地下岩石隧洞围岩衬砌结构的试验装置，其特征在于，所述反力墙(1)的数量为四个，各...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华，李崇标，吴章雷，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：