隧道衬砌水压监测系统试验装置的制作方法

本实用新型属于隧道衬砌水压监测系统技术领域。具体地，涉及一种隧道衬砌水压监测系统试验装置及试验方法。

背景技术：

在岩溶等特殊地质条件下，尽管隧道设计有排水系统，但是在极端天气等情况下，仍有可能在短时间内出现隧道衬砌承受高水压的危险情况。例如：地表大范围长期降雨过后，岩溶隧道及地下水水平循环带地层内的隧道衬砌背后水压可能迅速上升。近年来，在中国西南山区新开通运营的贵广铁路及渝利铁路线上，多座岩溶隧道在雨季期间衬砌背后水压骤然升高，导致衬砌变形，仰拱上鼓，轨道变形，严重威胁通过隧道的客车运营安全。

虽然针对富水隧道衬砌外水压力的监测系统，作为外水压力荷载获取的有效手段，被逐渐运用到工程中。但是，水压监测系统的装置的有效性，以及监测数据的准确性有待于测试验证。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：针对目前水压监测系统没有预先对其装置的有效性及监测数据的准确性进行测试的问题，提供一种隧道衬砌水压监测系统试验装置及试验方法，可确保隧道衬砌水压监测系统的有效性和准确性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种隧道衬砌水压监测系统试验装置，包括箱体及固定于箱体内部的隧道模型，隧道模型两端与外界相通，隧道模型外壁与箱体内壁共同形成封闭空间，封闭空间内填充有围岩模型，箱体与水箱通过进水管相互连通，箱体上设置有排水阀门，隧道模型外壁上设置有位移计，围岩模型内埋设有测压管，测压管延伸至箱体外部与压力计连接，隧道模型具有透水及不透水两种类型。

作为优选方案，对于透水型隧道模型，隧道模型外侧拱脚或仰拱处设置有纵向盲管，纵向盲管与外界通过阀门连通。

作为优选方案，进水管延伸至隧道模型外壁，便于模拟隧道不同位置出现溶腔的情况。

作为优选方案，在隧道模型的拱顶、拱腰、拱脚、边墙、墙脚、仰拱均布设测压管和位移计。

作为优选方案，隧道模型包括外侧初支层及内侧二衬层，二衬层采用石膏材料，初支层采用带孔亚克力板材料形成透水型隧道模型，初支层采用不带孔亚克力板材料形成不透水型隧道模型。

作为优选方案，围岩模型采用细沙材料。

作为优选方案，水箱设置有用于调节其高度的支架，以及用于将水泵入水箱的水泵，且水箱侧壁设置有用于保持水箱水位的下水管道，水箱与箱体通过两根直径不同的进水管相连。

基于上述的隧道衬砌水压监测系统试验装置的试验方法：隧道模型采用透水型，使水渗入隧道模型内部；通过调整水箱与箱体间的高差调节供水水压值，利用排水管收集通过隧道模型排进隧道模型内的水并测定水量大小，通过隧道模型拱脚纵向盲管的阀门调节排水量，记录隧道常规排水情况下的箱体内部围岩水压值、隧道模型内部及拱脚的单位时间出水量、隧道模型位移及结构变形量。

作为优选方案，还包括通过隧道模型仰拱纵向盲管的阀门调节排水量的步骤，以测试隧道优化排水的情况。

基于上述的隧道衬砌水压监测系统试验装置的试验方法：隧道模型采用不透水型，使水不渗入隧道模型内部，通过调整水箱与箱体间的高差调节供水水压值，记录隧道不排水情况下的箱体内部围岩水压值、隧道模型结构变形量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，相比于现有技术，本实用新型的有益效果是：根据隧道在排水和不排水情况下，测点水压值与衬砌结构周边(环向)水压值的关系，校准两种情况下的监测水压数据，确保监测结果的真实性；根据仰拱上拱量及结构变形量与监测水压的关系，测试检验以确保水压监测系统预警值的可靠性。

附图说明

图1是隧道排水系统常规排水示意图。

图2是隧道排水系统优化排水示意图。

图3是不同类型溶腔排水情况关系图。

图4是模型试验装置系统。

图5是模型试验箱排水系统。

图6是隧道模型及模板示意图。

图7是监测断面布置方案示意图。

图8是水压及应变监测点布置图。

附图中部件所对应的标记：1-外模板、2-内模板、3-隧道模型二衬层、4-隧道模型初支层、5-水压及应变监测点1-8号、6-隧道模型、7-阀门1、8-阀门2、9-阀门3、10-阀门4、12-压力计、13-U型水银测压计、14-箱体、15-进水管、16-排水阀门、17-纵向盲管、18-箱体、19-水箱、20-水箱支架、21-水泵、22-下水管。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实施例公开了一种隧道衬砌水压监测系统试验装置，包括箱体及固定于箱体内部的隧道模型，隧道模型两端与外界相通，隧道模型外壁与箱体内壁共同形成封闭空间，封闭空间内填充有围岩模型，箱体与水箱通过进水管相互连通，箱体上设置有排水阀门，隧道模型外壁上设置有位移计，围岩模型内埋设有测压管，测压管延伸至箱体外部与压力计连接，隧道模型具有透水及不透水两种类型。

对于透水型隧道模型，隧道模型外侧拱脚或仰拱处设置有纵向盲管，纵向盲管与外界通过阀门连通。进水管延伸至隧道模型外壁。通过箱体内部的四根进水管模拟水压作用在隧道模型的四个不同部位(即四根进水管的位置)。试验时将箱体外部的粗进水管或者细进水管接入四根进水管的某一根，模拟两种水量作用于隧道的相应部位。在隧道模型的拱顶、拱腰、拱脚、边墙、墙脚、仰拱均布设测压管和位移计。

隧道模型包括外侧初支层及内侧二衬层，二衬层采用石膏材料，初支层采用带孔亚克力板材料形成透水型隧道模型，初支层采用不带孔亚克力板材料形成不透水型隧道模型。围岩模型采用细沙材料。

水箱设置有用于调节其高度的支架，以及用于将水泵入水箱的水泵，且水箱侧壁设置有用于保持水箱水位的下水管道，水箱与箱体通过两根直径不同的进水管相连，提供不同大小的溶洞时所需要的水量。

本实施例还公开了基于上述的隧道衬砌水压监测系统试验装置的试验方法：隧道模型采用透水型，使水渗入隧道模型内部；通过调整水箱与箱体间的高差调节供水水压值，利用排水管收集通过隧道模型排进隧道模型内的水并测定水量大小，通过隧道模型拱脚纵向盲管的阀门调节排水量，记录隧道常规排水情况下的箱体内部围岩水压值、隧道模型内部及拱脚的单位时间出水量、隧道模型位移及结构变形量。还包括通过隧道模型仰拱纵向盲管的阀门调节排水量的步骤，以测试隧道优化排水的情况。

本实施例还公开了基于上述的隧道衬砌水压监测系统试验装置的试验方法：隧道模型采用不透水型，使水不渗入隧道模型内部，通过调整水箱与箱体间的高差调节供水水压值，记录隧道不排水情况下的箱体内部围岩水压值、隧道模型结构变形量。

以下通过模型试验方案对本实施例进行详细说明：

1.试验目的

(1)验证高压水及变形监测方案的可行性与准确性；

(2)得到排水条件下隧道衬砌水压分布规律(环向、纵向)；

(3)得出排水条件下测点水压与衬砌水压的关系；

(4)得到排水条件下隧道衬砌结构应变规律；

(5)得出排水条件下仰拱(填充)上拱量与水压(监测水压)的关系。

2.溶腔及排水条件模拟

岩溶地区隧道可能遇到的地质情况主要有充填型溶腔和管道型溶腔，因此本次模型试验将围岩分为存在充填型溶腔、管道型溶腔和均质地层三种情况，并考虑不同排水条件，对高水压作用下的岩溶隧道进行模拟。如图1-图2所示，排水条件进一步细化为常规排水和优化排水两种方案。

常规排水：如图1所示，根据隧道周围的初始渗流场，在模拟初支的亚克力板上钻孔，使水渗入隧道内部，通过阀门1排出隧道外部。在两侧墙角设置排水管，并加设阀门2和阀门4，通过控制阀门2和阀门4调节排水量，模拟隧道排水情况。

优化排水：如图2所示，在常规排水情况的基础上，在隧道两侧墙角和底部均设置排水管，并加设阀门3，用来控制隧道底部排水量的大小。

不排水：采用不开孔亚克力板模拟初支，关闭图1-图2中所有阀门。

根据以上排水条件模拟方案，不同溶腔型式的排水情况模拟如图3所示。

3.试验组数

试验条件：常规排水情况、优化排水情况、不排水情况。

围岩条件：充填型溶腔、管道型溶腔、均质地层。溶腔直径为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m四种情况。

试验模拟施加水压：0.25MPa、0.50MPa、1.00MPa、1.50MPa、2.00MPa、3.00MPa。

如表1～表3所示，试验组数共计288组。

表1-常规排水试验组数

表2-优化排水试验组数

表3-不排水试验组数

4.模型尺寸、相似比、试验装置及材料

(1)模型尺寸和相似比

根据模型试验目的，主要模拟的内容包括高水位地下水、围岩、防排水系统、衬砌结构等。试验模拟隧道周边一定范围内的围岩，水压力加在围岩的上边界面上，测试衬砌背后水压力分布规律。考虑到本次试验特点和郑万线岩溶隧道高水位富水区地段开挖断面尺寸，开挖断面半径为7.43m，混凝土衬砌的厚度为，初支28cm，二衬50cm，围岩范围模拟3倍洞径，衬砌外14.86m。隧道纵向长度取为60m，同时考虑量测仪器布置方便等等，最终取原型围岩范围为长方体长×宽×高＝60m×45m×45m。取几何相似比尺CL＝20，则围岩模型长×宽×高＝3m×2.25m×2.25m，初支采用1.5cm亚克力开孔板(考虑初支渗透系数)模拟，二衬采用石膏模拟。在实验室内制做可升降高度的水箱(最大16m高水头)给模型围岩顶面施加15m稳定压力水头，模拟的原型水头最大为300m。

其它相似比尺：由以上几何相似比尺CL＝20，选择水做模拟流体，从而容重相似比尺Crw＝1；渗透系数相似比Ck＝1，时间相似比Ct＝20。再根据模型相似定律推导出其他相似比尺：衬砌背后水压力相似比CPl＝20；渗流量相似比CQl＝20；水压力作用系数为无量纲量，相似比Cα＝1。

(2)模型试验装置

本模型试验在某大学隧道工程实验室进行，整个模型试验装置系统如图4所示，主要由水压力加载部分、模型箱体部分、隧道结构部分(包括围岩、初支、二衬、防排水)和水压力测试部分等组成。

水压力加载部分采用具有升降功能的水箱，通过12寸水泵不断补充水，保持水箱内水位在某一水头不变，多余的水通过下水管道排出。水箱与密闭箱体通过两根高压水管连接，通过调节水管阀门的大小使箱子内围岩顶面水压力在测试过程中基本保持恒定。密闭箱体是放置围岩、隧道衬砌结构和在围岩上施加水压力的容器，是本次试验的主要设备。如图5所示，箱体尺寸长×宽×高＝3m×2.25m×2.25m，在工厂直接用钢板、槽钢和工字钢焊接加工而成，箱子盖和箱体之间用高强螺栓进行连接，中间垫厚的橡胶垫，保持箱子的密闭性，并便于拆装，更有利于在箱子内制作隧道衬砌结构和埋设测压管。箱子能够承受0.15MPa的压力，满足试验水压力加载的安全要求。并在箱子左右两个侧面底部、前后两个侧面底部分别设置4个排水阀门，控制隧道四周和底面的排水，模拟围岩不同透水边界条件下的渗流场。箱子左右两个侧面上，隧道高度位置设置2个排水管，将通过衬砌排进隧道内的水排出，可方便地测定隧道内排水量的大小。顶盖上设进水管，便于模拟隧道不同位置出现溶腔的工况。在围岩顶面位置安装一根测压管，准确测出围岩顶面水压力的大小。在箱子的前后两个面上根据测试断面的位置，分别设置4个测压管的引出孔，将测压管通过此孔引出箱体，并用环氧树脂密封。采用连通器原理，利用水银测压管进行水压力测试。

(3)模型材料选择

考虑到本次试验的特点，主要是测试围岩和衬砌背后的水压力，以及衬砌结构的变形和仰拱的上拱量，因此各种相似材料选择依据以渗透系数和衬砌结构的强度为综合控制指标。

①围岩需考虑综合渗透系数，配置相似材料(通过试验确定配比)，围岩模拟分为匀质地层、充填型溶腔、管道型溶腔三种工况，模拟局部溶腔的预留管道分别设置在拱顶、拱腰、拱脚和边墙中部，管道与隧道模型间采用可调节水流大小的金属盒连接，用以模拟不同的溶腔尺寸；

②初支需考虑渗透系数，采用开孔亚克力板模拟；

③二衬考虑几何相似性，采用2.5cm厚的石膏模拟，利用强度相似性，确定石膏的强度和配比。如图6所示，制作便于拆卸的顶、底部可缝合的双瓣外模板，模拟初支的亚克力板内部制作内模承压，在外模板与模拟初支的亚克力板间灌注石膏。

5.监测点布设

如图7所示，分别在拱顶、拱腰、拱脚、边墙、墙脚、仰拱布设6个水压力监测点和6个位移监测点。仰拱上拱量采用百分表量测。管道型溶腔工况下，在拱顶、拱脚和边墙中部预留管道模拟溶腔。

6.测试内容

(1)测试隧道排水情况下的水压、仰拱位移及隧道结构变形。

排水情况：根据隧道周围的初始渗流场，在模拟初支的亚克力板上钻孔，使水渗入隧道内部，通过图1-图2所示的阀门1排出隧道外部。在两侧墙角和隧道底部设置排水管，并加设阀门2～阀门4，通过控制阀门2～阀门4调节排水量，模拟隧道常规排水和优化排水情况。采用供水系统给试验箱供水，通过水压加压泵调节水压值，测试并记录结构各部位水压值、单位时间出水量、供水系统水压值及隧道结构变形量等。

(2)测试隧道不排水情况下的水压、仰拱位移及隧道结构变形。

不排水情况：初支采用不钻孔亚克力板模拟，使水不渗入隧道内部，关闭图1-图2所示的阀门2～阀门4，使隧道不排水。采用供水系统给试验箱供水，通过水压加压泵调节水压值，测试并记录结构各部位水压计值、供水系统水压值及隧道结构变形量等。

7.预期成果

(1)分别对隧道排水情况下与不排水情况下的水压、仰拱位移及结构变形测试数据，进行数理统计及相关性分析，得到排水与不排水工况下，测点水压值、衬砌环向水压值、供水系统水压值三者之间的关系；

(2)对隧道排水情况下的水压测试数据进行统计分析，得到隧道排水工况下环向及纵向水压分布规律；

(3)对隧道排水情况下的隧道仰拱变形数据与水压数据进行统计和相关性分析，得到隧道排水工况下仰拱上拱量与监测点水压的关系。

8.验证方法

(1)根据隧道在排水和不排水情况下，测点水压值与衬砌结构周边(环向)水压值的关系，校准两种情况下的监测水压数据，确保监测结果的真实性；

(2)根据仰拱上拱量及结构变形量与监测水压的关系，测试检验以确保水压监测系统预警值的可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。