适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法，所述系统包括模型箱体部分、水压力加载部分、测试系统；模型箱体部分内部设置有的围岩和设置在围岩内侧的隧道衬砌结构；所述围岩为存在充填型溶腔或管道型溶腔；水压力加载部分设置在模型箱体部分的顶端，用于对围岩和隧道衬砌结构施加不同的水压力，以模拟实际地质环境；测试系统设置在模型箱体部分的内部，用于对隧道衬砌结构水压及变形进行监测。本发明专利技术研究在不同水压作用下衬砌背后水压力的分布规律和衬砌内力变化规律，对实际中的岩溶隧道衬砌构建具有重要的指导意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法


[0001]本专利技术涉及隧道及地下工程
，尤其是涉及一种适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法。

技术介绍

[0002]隧道施工有时会在岩溶地质条件下进行，因此施工过程中需要克服岩溶地质对隧道施工的影响。岩溶是水对可溶岩的化学溶解作用与机械破坏作用以及由于这些作用所引起的各种现象与形态的总称，而伴随岩溶同时存在的一般为施工及运营区域内的大型富水充填溶腔，顾名思义该溶腔具有规模大、联绵广、高水压以及多种充填物等特点，因这些特点的存在，常常会给岩溶隧道带来突水突泥的风险。突水突泥是隧道施工期最大的地质灾害，而深埋岩溶隧道所遇到的高压富水充填溶腔对隧道施工的威胁最大，极易造成灾害。而岩溶隧道衬砌结构质量的好坏影响隧道施工质量的好坏。
[0003]我国铁路隧道设计规范用矿山法修建的山岭隧道采用排导方式，通常通过设置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。因此，不考虑水压力对衬砌的作用。我国公路隧道设计规范中提到“当隧道位于常水位以下，又不宜排泄时，隧道衬砌应该采用抗水压衬砌。隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则”，但对如何考虑衬砌水压力没有给出明确的方法。因此，研究在水压作用下衬砌水压力的分布规律显得十分重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统及方法，以解决
技术介绍
中的问题。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，包括：
[0007]模型箱体部分，内部设置有的围岩和设置在围岩内侧的隧道衬砌结构；所述围岩为存在充填型溶腔或管道型溶腔；
[0008]水压力加载部分，设置在模型箱体部分的顶端，用于对围岩和隧道衬砌结构施加不同的水压力，以模拟实际地质环境；
[0009]测试系统，设置在模型箱体部分的内部，用于对隧道衬砌结构水压及变形进行监测。
[0010]进一步优化技术方案，所述模型箱体部分包括可拆卸设置的密闭水箱，密闭水箱的侧部设置有与隧道衬砌结构同平面设置并与隧道衬砌结构出水端相连通的排水组件，密闭水箱的顶端设置有与水压力加载部分相连通的进水组件。
[0011]进一步优化技术方案，所述进水组件包括分别与水压力加载部分相连通且并联设置的粗进水管和细进水管，粗进水管和细进水管上分别设置有进水阀门。
[0012]进一步优化技术方案，所述测试系统包括若干周向间隔设置在隧道衬砌结构外围
的孔隙水压力计以及周向间隔设置在隧道衬砌结构内侧的应变片，所述模型箱体部分的顶端还设置有用于检测模型箱体部分内部围岩顶部水压力大小的水压表。
[0013]进一步优化技术方案，所述孔隙水压力计和应变片根据测试断面的位置分别设置有若干排。
[0014]进一步优化技术方案，所述测试系统还包括设置在隧道衬砌结构仰拱内侧并与隧道衬砌结构仰拱具有间距的位移计，位移计用于检测试验过程中隧道衬砌结构仰拱的位移。
[0015]进一步优化技术方案，所述水压力加载部分包括架体以及设置在架体上的升降水箱，升降水箱的底端通过下水管连通设置有收集箱，升降水箱的顶端通过上水管连通设置有泵水组件，升降水箱的底端通过出水管与模型箱体部分相连通且位于模型箱体部分的上方；所述升降水箱通过升降机构设置在架体上并在升降机构的驱动下进行升降动作，以对隧道衬砌结构施加不同的水压；所述出水管、下水管、上水管均为可伸缩管。
[0016]适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验方法，包括以下步骤：
[0017]S1、以相似理论的基本定理为依据，采用方程分析法推出相似比C，根据相似比C确定出模型取值，并对模型相似材料进行配置，构建所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统；
[0018]S2、以隧道衬砌结构拱顶上部水头高度为基准，进行岩溶隧道衬砌监测的模型试验；
[0019]S3、研究二次衬砌在排水状态下水压分布规律：
[0020]保持隧道衬砌结构拱顶水头高度不变，围岩材料最后渗透饱和以及应变片数据稳定时，打开排水组件进行排水数据读取，并采集排水时间；
[0021]或将隧道衬砌结构拱顶水头分别为依照实际需求呈梯度分布，进行低水头试验；
[0022]或将围岩填满模型箱体部分并全密封，将升降水箱挂起，通过升降机构驱动下升降水箱进行升降动作，对隧道衬砌结构施加不同的水压，进行测试直至隧道衬砌结构发生破坏，进行高水头试验；
[0023]S4、在步骤S3结束后，测量隧道衬砌结构内侧应变值，获得隧道衬砌结构内侧的应变值后计算出隧道衬砌结构的截面内力；测量隧道衬砌结构背部水压力状况。
[0024]进一步优化技术方案，所述步骤S1中，根据相似比C确定出模型取值的步骤为：
[0025]假定组成隧道围岩的岩土体为均匀、连续且各向同性介质，则在笛卡儿坐标系(x，y，z)下，仅考虑围岩自重应力作用时，对于原型隧道s和模型隧道m，其平衡微分方程分别为：
[0026][0027]其中：代表对原型隧道s体系内的x方向正应力求偏导；代表对原型隧道s体系内的y方向正应力求偏导；代表对原型隧道s体系内的z方向正应力求偏导；代表对原型隧道s体系内x求偏导；代表对原型隧道s体系内x面内y方向剪应力求偏导；代表对原型隧道s体系内对y求偏导；代表对原型隧道s体系内x面内z方向剪应力求偏导；代表对原型隧道s体系内对z求偏导；
[0028][0029]其中：代表对模型隧道m体系内的x方向正应力求偏导；代表对模型隧道m体系内的y方向正应力求偏导；代表对模型隧道m体系内的z方向正应力求偏导；代表对模型隧道m体系内对x求偏导；表对原型隧道s体系内对y求偏导；代表对模型隧道m体系内对y求偏导；代表对模型隧道m体系内对z求偏导；代表对模型隧道m体系内x面内y方向剪应力求偏导；代表对模型隧道m体系内y面内z方向剪应力求偏导；代表对模型隧道m体系内x面内z方向剪应力求偏导；γ
m
为模型系统m中相对应的正应力和剪应力所属材料部分自身的容重；
[0030]进一步设应力相似比为C
σ
，几何相似比为C
L
，弹性模量相似比为C
E
，容重相似比为C
γ
，则有：
[0031][0032]其中：E
s
为原型隧道s体系的弹性模量；E
m
为模型隧道m体系的弹性模量；μ
s
为待变原型隧道s体系中的无量纲参数；μ
m
为待变模型隧道m体系中的无量纲参数；C
μ
代表不同系统中同一类参数的相似比；
[0033]将各相似比代入弹性力学基本方程，可求得各相似比之间的关系：
[0034]c
σ
＝c
L
·
c
γ
；c
E
＝c...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，包括：模型箱体部分(1)，内部设置有的围岩和设置在围岩内侧的隧道衬砌结构；所述围岩为存在充填型溶腔或管道型溶腔；水压力加载部分(3)，设置在模型箱体部分(1)的顶端，用于对围岩和隧道衬砌结构施加不同的水压力，以模拟实际地质环境；测试系统，设置在模型箱体部分(1)的内部，用于对隧道衬砌结构水压及变形进行监测。2.根据权利要求1所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，所述模型箱体部分(1)包括可拆卸设置的密闭水箱(11)，密闭水箱(11)的侧部设置有与隧道衬砌结构同平面设置并与隧道衬砌结构出水端相连通的排水组件，密闭水箱(11)的顶端设置有与水压力加载部分(3)相连通的进水组件。3.根据权利要求2所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，所述进水组件包括分别与水压力加载部分(3)相连通且并联设置的粗进水管和细进水管，粗进水管和细进水管上分别设置有进水阀门。4.根据权利要求1所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，所述测试系统包括若干周向间隔设置在隧道衬砌结构外围的孔隙水压力计(15)以及周向间隔设置在隧道衬砌结构内侧的应变片(16)，所述模型箱体部分(1)的顶端还设置有用于检测模型箱体部分(1)内部围岩顶部水压力大小的水压表。5.根据权利要求4所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，所述孔隙水压力计(15)和应变片(16)根据测试断面的位置分别设置有若干排。6.根据权利要求4所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，所述测试系统还包括设置在隧道衬砌结构仰拱内侧并与隧道衬砌结构仰拱具有间距的位移计(17)，位移计(17)用于检测试验过程中隧道衬砌结构仰拱的位移。7.根据权利要求1所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统，其特征在于，所述水压力加载部分(3)包括架体(35)以及设置在架体(35)上的升降水箱(31)，升降水箱(31)的底端通过下水管(32)连通设置有收集箱(33)，升降水箱(31)的顶端通过上水管(34)连通设置有泵水组件，升降水箱(31)的底端通过出水管(36)与模型箱体部分(1)相连通且位于模型箱体部分(1)的上方；所述升降水箱(31)通过升降机构设置在架体(35)上并在升降机构的驱动下进行升降动作，以对隧道衬砌结构施加不同的水压；所述出水管(36)、下水管(32)、上水管(34)均为可伸缩管。8.适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以相似理论的基本定理为依据，采用方程分析法推出相似比C，根据相似比C确定出模型取值，并对模型相似材料进行配置，构建如权利要求1至7任意一项所述的适用于岩溶隧道衬砌监测的模型试验系统；S2、以隧道衬砌结构拱顶上部水头高度为基准，进行岩溶隧道衬砌监测的模型试验；S3、研究隧道衬砌结构在排水状态下水压分布规律：保持隧道衬砌结构拱顶水头高度不变，围岩材料最后渗透饱和以及应变片数据稳定时，打开排水组件进行排水数据读取，并采集排水时间；或将隧道衬砌结构拱顶水头分别为依照实际需求呈梯度分布，进行低水头试验；
或将围岩填满模型箱体部分并全密封，将升降水箱(31)挂起，通过升降机构驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：田小路，袁会波，杨彦岭，闫肃，王海川，王伟，詹鹏超，王帅，黄明利，黄猛，
申请(专利权)人：中铁十六局集团有限公司北京交通大学，
类型：发明
国别省市：