专利名称：海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法
技术领域：
本发明涉及隧道结构的试验领域，尤其涉及一种海底隧道衬砌水压力分布规律试 验方法。
背景技术：
海底(水底)隧道工程的主要特点就是受水土共同作用，而隧道排导水的方式不 同时，外水压力如何取值成为隧道支护结构设计中普遍存在的一个难题，也是工程界关注 和争议的热点之一。我国铁路隧道和公路隧道在以往设计中对地下水采取“防、排、截、堵相 结合，以排为主”的防排水原则，因此一般不考虑作用在衬砌上的水压力，结果造成了大量 的环境问题，其一是地下水长期由隧道大量排走，地下水位降低，造成洞顶地表失水并发生 沉降变形；其二是地下水从隧道大量流失，围岩中的地下水渗流通道(如岩层节理裂隙或 岩溶管道)中的充填物被水冲走，贯通性愈来愈好，可能造成隧道洞内流量不断增大，各种 病害如衬砌渗漏变形、路面翻浆冒泥、排水沟淤塞漫流等逐年严重，同时，衬砌背后渗水通 道的扩大还会造成衬砌受力不均勻。因此我国水工隧洞设计规范在设计时考虑了衬砌外水 压力，引入一个折减系数β来计算不同情况下的水压力大小，但β的取值仅考虑了围岩与 衬砌的相对渗透系数，而且在取值时靠定性判断为主，缺乏定量的标准，其确定带有很大的 主观性。实际上，作用在衬砌上的水压力与围岩级别、初始渗流场、衬砌条件、防排水措施以 及初始地应力场等均密切相关。目前，对于隧道渗流场、应力场的耦合分析研究方面，国内外有不少观点和成果， 但是大多都是基于简化经验公式或数值模拟计算的，其工程应用性不强，同时也很难反映 围岩及衬砌结构的实际受力特点。对于模型试验而言，可以很好的与实际工程对照，也便于 与其他研究方法比较，就目前而言，国内外还没有能够进行应力场、渗流场共同作用下的模 型试验，多数是单独考虑的，这就很难反映应力场、渗流场共同作用下隧道围岩内部应力、 位移分布及支护结构受力与变形特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法，基于本发 明，能够反映应力场、渗流场共同作用下隧道围岩内部应力、位移分布及支护结构受力与变 形特点。本发明公开了一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法，包括如下步骤模型 制作步骤，基于相似理论，选取相似材料模拟原型隧道围岩及衬砌材料，根据抗水压衬砌断 面形状确定试验模板形状，完成模型制作；测试点布置步骤，布置模型测点，采用光纤光栅 采集结构应变数据，采用U型水银压力计进行水压力的数据采集；试验加载控制步骤，分别 通过控制液压千斤顶和所述试验模型进水口处水压表的水压值实现；数据采集步骤，分别 进行所述衬砌背后水压力分布、二次衬砌应变及排水量采集。上述试验方法，优选所述模型制作步骤中，所述模型表面设置有环氧树脂。
上述试验方法，优选注浆圈采用所述围岩材料加注水泥水玻璃溶液，纵向盲管与 环向盲管由塑料水平管制作而成，外表壁设置多个透水口，所述透水口外由纱布包扎以防 止砂土的流入。上述试验方法，优选所述测试点布置步骤中，所述多个测试点被分为两组，第一组 测试点布置在隧道周围，第二组测试点布设在所述围岩中，所述压力盒与隧道衬砌紧贴，所 述多个测试点布设引水导管，在所述衬砌结构两个断面的内、外表面分别布设应变片。上述试验方法，优选所述试验加载控制步骤中，所述试验中的载荷值根据相似准 则导出值和试验设备加载能力确定。上述试验方法，优选所述数据采集步骤中，采用光纤光栅测试系统对所述二次衬 砌结构的应变数据进行采集。上述试验方法，优选采用U型水银压力计对所述围岩中的水压力进行数据采集。与现有技术比，本发明的有益效果是第一、解决了已有模型试验装备中无法模拟地下压力水的问题，实现了隧道围岩、 隧道结构与地下压力水三者之间相互作用的模型试验；第二、解决了施加水压力与施加土 应力相互独立，在密封条件下，不同方向加载互不干扰，从而可以对不同水压、不同地层条 件下渗透规律；第三、采用光纤光栅及U型水银计进行数据采集，克服了精度受其他因素干 扰的问题。
图1是本发明海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法实施例的步骤流程图；图2是本发明实施例测试点布置步骤中，测试点分布示意图；图3a是本发明实施例测试时在全封闭条件下隧道衬砌背后水压力分布示意图， 单位为千帕；图3b是本发明实施例测试时在全封闭条件下隧道模型注浆圈外水压力分布示意 图，单位为千帕；图4a是本发明实施例测试时在限排条件下隧道衬砌水压分布示意图，单位为千 帕；图4b是本发明实施例测试时在限排条件下隧道模型注浆圈外水压力分布示意 图，单位为千帕；图5a是本发明实施例测试时在耦合场中衬砌内侧结构受力特征图；图5b是本发明实施例测试时在耦合场中衬砌外侧结构受力特征图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明解决传统模型试验不能同时考虑应力场、渗流场共同作用的难题，对于更 好地开展地下水与围岩相互作用规律、地下水和围岩渗透性对隧道结构变形、受力的影响 等方面的研究具有重要意义，本发明将为海底(水下)隧道工程的设计与施工提供理论基 石出。
参照图1，图1是本发明海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法实施例的步骤流 程图，包括如下步骤模型制作步骤110，基于相似理论，选取相似材料模拟原型隧道围岩及衬砌材料， 根据抗水压衬砌断面形状确定试验模板形状，完成模型制作；测试点布置步骤120，采用光 纤光栅采集结构应变数据，采用U型水银压力计进行水压力的数据采集；验加载控制步骤 130，分别通过控制液压千斤顶和所述试验模型进水口处水压表的水压值实现；数据采集步 骤140，分别进行所述衬砌背后水压力分布、二次衬砌应变及排水量采集。下面对上述各个步骤分别做进一步的说明。模型制作步骤110，模型试验相似材料选用与原型材料相似的混凝土材料，初期支 护和二次衬砌的模型材料的选择先通过相似理论计算，选取相似材料，测试围岩的物理力 学参数，最终确定相似材料参数。模型采用原型相似材料，表面涂抹环氧树脂提高模型自防 水能力，注浆圈采用围岩材料加注水泥水玻璃溶液。纵向盲管与环向盲管由塑料水平管制 作而成，外表壁设置大量透水口，外由纱布包扎，防止砂土的流入。更具体说，通过相似计算，按照1 16的几何比例预制隧道二次衬砌模板，其形状 根据依托工程典型的抗水压衬砌断面形状确定。模型模板由内模板和内模板拼装而成，为 了便于拼装，模板分成三块组成。模型采用有机玻璃材料，表面设置防水板和无纺布，排水 口在两侧设置各6处，总共12个排水口，12个排水管引出后与一个水龙头相连，收集涌水并 控制排水量大小；注浆圈材料为围岩材料加注水泥水玻璃溶液，其渗透系数约为围岩材料 渗透系数的1/10。步骤120，在模型箱内围岩材料中设置了多个测试点，每个测试点处布置一个压力 盒，其中部分测试点布设在围岩当中，压力盒水平放置，同时这些测试点布设了引水导管以 便测试测试点位置的水头，其余测试点布置在隧道周围，压力盒与隧道衬砌紧贴。在隧道衬 砌结构两个断面的内外表面各布设应变片。例如，在模型箱内围岩材料中设置了 12个测试点，每个测试点处布置一个压力 盒，压力盒水平放置，1 6测试点布置在隧道周围，7 12测试点布设在围岩当中，压力盒 与隧道衬砌紧贴，同时在1 12测试点布设了引水导管以便测试测试点位置的水头。在隧 道衬砌结构两个断面的内外表面各布设了 8个应变片，一共布设了 32个应变片。参照图2， 图2为本发明实施例测试点布置步骤中，测试点分布示意图。在图2中，试验模型203设置 进水口 204和排水口 206，其内布置多个测试点，包括布置在隧道周围的应力测试点201 (如 1,2,3,4,5,6)和布置在围岩205中的水压测试点202 (如7，8，9，10，11，12)，为调试试验时 水压稳定，在模型上方距离顶盖30cm的位置，布置测点13。步骤130，试验中的荷载值需要根据相似准则导出值和试验设备的加载能力确定， 以尽可能地满足相似条件。试验中分别通过控制液压千斤顶和进水口处水压表的水压值来 实现围岩压力和水压力的施加，加载、调试由计算机的全程控制完成。在依托工程中，隧道拱顶水压0.65MPa，覆土层厚40m，根据公路隧道设计规范 (JTCD70-2004)，所受围岩压力荷载按浅埋隧道计算，其计算公式为<formula>formula see original document page 5</formula>
义tan β - tan φε
tan β\[ + tan β (tan φ0 _ tan 没)+ tan cpc tan θ\(2)
n(tan2 φε +Iltan^e
^ =tan^-L
(3)式中q——围岩垂直均布压力(Pa)；B——坑道跨度(m)；γ——围岩重度(kN/m3)；h——洞顶地面高度(m)；θ —顶板土柱两侧摩擦角(° )，为经验数值；λ—侧压力系数；φ。——围岩计算摩擦角(° )；β——产生最大推力时的破裂角(° )。水平压力ei的计算公式Gi = rhi λ (4)式中比一内外侧任意点至地面的距离(m)。隧道围岩为V级围岩，围岩重度取19kN/m3，坑道跨度为17m，隧道拱顶至地面高度 为40m，其他参数参考隧道设计规范，根据以上计算公式得围岩竖向压力与水平压力如下q = 0. 4708MPa (5)e = 0. 1432MPa (6)根据模型尺寸，需加液压千斤顶的力(当完全用外加荷载模拟土层对模型所产生 的作用时)F = qmA = 0. 4708e6 + 38. 88X2. 6X1. 0 = 31. 48KN (7)式中F——液压千斤顶的和力(KN)；qm—模型上的竖向压力(KN)；A——千斤顶的作用面积(m2)。每支液压千斤顶的加载为F' = F/4 = 7. 87KN (8)式中F'——每支液压千斤顶的力(KN)工程中水头水压为0. 65MPa。根据相似理论与模型试验原理，设进水口高度与隧道 模型的拱顶相平，则进水口的水压力Pw (即微机控制系统所显示的值)为Pw = 0. 65/38. 88 = 0. 0167MPa (9)步骤140，通过加载控制，模拟隧道在全封闭及限排的条件下，由计算机采集不同 条件下隧道衬砌水压力及衬砌结构应变的数据，而后进行分析。数据的采集包括隧道结构 的应变采集，围岩中的水压分布采集，隧道的排水量采集。本试验中采用光纤光栅测试系统 对衬砌结构的应变数据进行了采集；采用U型水银压力计进行测试水压力的数据采集。试验方法及原理试验以相似理论为依据，对在研究过程中起决定作用的参数，充分反映在相似准则中，尽可能满足边界、起始等单值条件；模型制作完毕后进入试验台架， 台架包括竖向4个液压加载千斤顶，水平方向左右各有2个液压加载千斤顶，每个最大加载 500kN,同时可在上顶面加O 0. 5MPa的水压；液压加载系统与水压加载系统无干涉。通过 控制液压千斤顶和进水口处水压表的水压值来实现围岩压力和水压力的施加，从而模拟隧 道不同的防排水条件。再通过数据采集系统，采取模型上所有测试点的数据。所以本发明 能够模拟隧道结构同时受到水压力及土应力时，测得其各项力学指标和性能。在具体实施时，实验台台架系统包括液压控制系统，支反架机构，水压系统以及数 据采集系统几个部分。其中，液压控制系统主要保证加载的精度，可以灵活选择加载方式， 实现函数加载；支反架机构用于支撑加载千斤顶，保证竖向可以承受最大2000kN，侧面最 大IOOOkN力，支架不变形，同时，支反架机构具有良好的密封能力性，保证试验过程中无明 显漏水；水压系统提供0 0. 5MPa范围内的可调水压，同时可以为密封和冷却提供水源； 数据采集系统预留40个通道数据接口，方便试验中的测试和数据处理工作。
参照图3a、图3b。图3a是本发明实施例测试时在全封闭条件下隧道衬砌背后水 压力分布示意图，单位为千帕。图3b是本发明实施例测试时在全封闭条件下隧道模型注浆 圈外水压力分布示意图，单位为千帕。参照图4a，图4b，图4a是本发明实施例测试时在限排条件下隧道衬砌水压分布示 意图，单位为千帕；图4b是本发明实施例测试时在限排条件下隧道模型注浆圈外水压力分 布示意图，单位为千帕。其中，图4a中，曲线ρ代表1. 65L/min的排量时隧道衬砌水压分布 示意图；曲线q代表0. 2L/min的排量时隧道衬砌水压分布示意图。参照图5a，图5b。图5a为本发明实施例测试时在耦合场中衬砌内侧结构受力特 征图；图5b为本发明实施例测试时在耦合场中衬砌外侧结构受力特征图。与现有技术比，本发明实施例的有益效果是第一、试验台架解决了已有模型试验装备中无法模拟地下压力水的问题，实现了 隧道围岩、隧道结构与地下压力水三者之间相互作用的模型试验。并且，解决了施加水压力 与施加土应力相互独立的问题，在密封条件下，实现不同方向加载互不干扰，从而可以对不 同水压、不同地层条件下的渗透规律、渗透压力对隧道结构的作用、不同堵、排水方法隧道 衬砌结构的受力特点等问题进行模拟研究。第二、隧道结构的应变数据的采集采用光纤光栅网络分析系统，光纤光栅传感器 可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势如防爆、抗电磁干 扰、抗腐蚀，耐高温、体积小、重量轻、灵活方便。它克服了电阻应变片的易受电磁干扰、易损 坏、寿命短和不能重复使用的缺点。光纤光栅传感器与传统的传感系统的不同的是波长编 码，因此不受光源起伏、光纤弯曲、连接损耗和探测器等老化而影响测量精度。此系统不仅 测试精度高，还能解决试验中水对电路的干扰等一系列问题。第三、围岩中的水压力的采集采用U型水银压力计。传统方式常采用渗压计或测 压水管，渗压计具有量程大、易于埋设的特点，但由于精度较低，使用过程中要进行排气，程 序繁琐且不能保证使用质量，因此在高精度的室内试验中不宜采用；测压水管较好的解决 了渗压计的问题，但对于高水压山岭隧道而言，室内不具备测量高水头的条件。因此本试验 采用U型水银压力计进行测试，既解决了渗压计的精度问题，又解决了测压水管的量程问 题。
以上对本发明所提供的一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用 于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的 思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为 对本发明的限制。
权利要求
一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法，其特征在于，包括如下步骤模型制作步骤，基于相似理论，选取相似材料模拟原型隧道围岩及衬砌材料，根据抗水压衬砌断面形状确定试验模板形状，完成模型制作；测试点布置步骤，布置模型测点，采用光纤光栅采集结构应变数据，采用U型水银压力计进行水压力的数据采集；试验加载控制步骤，分别通过控制液压千斤顶和所述试验模型进水口处水压表的水压值实现；数据采集步骤，分别进行所述衬砌背后水压力分布、二次衬砌应变及排水量采集。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述模型制作步骤中，所述模型表面 设置有环氧树脂。
3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于，所述模型制作步骤中，注浆圈采用所 述围岩材料加注水泥水玻璃溶液，纵向盲管与环向盲管由塑料水平管制作而成，外表壁设 置多个透水口，所述透水口外由纱布包扎以防止砂土的流入。
4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述测试点布置步骤中，所述多个测 试点被分为两组，第一组测试点布置在隧道周围，第二组测试点布设在所述围岩中，所述压 力盒与隧道衬砌紧贴，所述多个测试点布设引水导管，在所述衬砌结构两个断面的内、外表 面分别布设应变片。
5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述试验加载控制步骤中，所述试验 中的载荷值根据相似准则导出值和试验设备加载能力确定。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的试验方法，其特征在于，所述数据采集步骤中， 采用光纤光栅测试系统对所述二次衬砌结构的应变数据进行采集。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，所述数据采集步骤中，采用U型水银 压力计对所述围岩中的水压力进行数据采集。
全文摘要
本发明公开了一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法，该方法包括基于相似理论，选取相似材料模拟原型隧道围岩及衬砌材料，根据抗水压衬砌断面形状确定试验模板形状，完成模型制作；布置模型测点，采用光纤光栅采集结构应变数据，采用U型水银压力计进行水压力的数据采集；分别通过控制液压千斤顶和所述试验模型进水口处水压表的水压值实现；分别进行所述衬砌背后水压力分布、二次衬砌应变及排水量采集。本发明能反映应力场、渗流场共同作用下隧道衬砌背后水压力分布规律、二次衬砌受力与变形特点。
文档编号G01N3/12GK101832140SQ201010155378
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者李健, 王梦恕, 王秀英, 谭忠盛 申请人:北京交通大学