一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法与流程

本发明涉及地下工程高内水条件下衬砌和围岩承载和渗流特性领域，具体涉及一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法。

背景技术：

在压力隧洞内，高内水作用下，衬砌及围岩的承载能力，衬砌起裂及裂缝分布与扩展规律，衬砌与围岩联合作用机理，高压水在衬砌与围岩中的运移特性等问题，是高压隧洞工程中高度关注又极难攻克的科学难题。为了研究高内水作用下结构与围岩的承载特性和渗透稳定性，目前的原型实验主要有两种方法，第一种是在地质条件与实际隧洞工程接近的原型实验洞内，采用与实际隧洞相同的衬砌结构和围岩处理设计方案，选取一定长度的实验洞段，在实验洞段两端(通常实验洞段选在原型实验洞的端部，一端利用处理后的围岩代替堵头，减少一个堵头，节省实验费用和降低堵头漏水导致实验失败的风险)，利用全断面堵头封堵技术，使实验洞段形成封闭空间，在堵头上留有进水孔和排气孔，使用高压泵向封闭的实验洞段进行充水，直到封闭的实验洞段完全充满水后，关闭排气孔，再逐级加压，通过加压和预先埋置的多类监测仪器监测数据的采集和分析，得到高内水作用下隧洞结构与围岩的系列特性和规律。第二种同样是在地质条件与实际隧洞工程接近的原型实验洞内，采用与实际隧洞相同的衬砌结构和围岩处理设计方案，选取一定长度的实验洞段，利用千斤顶加压方法，模拟高压水作用下结构与围岩的承载能力等系列特性和规律。

第一种方法，高压充水原型实验的最大难点是堵漏困难，堵头要做到高抗渗性，避免发生渗透破坏和内水渗漏，堵头还要有足够的抵抗高内水压力的强度和阻力，避免堵头在高压水作用下发生堵头力学破坏和滑移，另一个难点是补水困难，为了消除堵头的端部效应影响，实验段的封闭空间长度通常在几十米甚至上百米长度，当高压水作用下衬砌开裂后进入围岩，由于内水在围岩中的渗流面积很大，需要很大的补水流量才能保证提高内水压力，目前的高压泵，在保持高压状态下，很难满足实验要求的补水流量，内水压力不能加到预定设计值，导致实验不能达到预想效果。目前这种高压充水试验，通常做到加压2MPa，最大加压到5MPa，再高的压力，由于补水量无法满足，压力无法加到预定值，导致实验没有达到预定目标。第二种方法，用千斤顶加压方法代替高压水，与高压输水隧洞的运行状态有所区别，千斤顶加压一直于衬砌结构的是面力，结构上裂缝的分布和扩展规律与实际运行状态可能会有所不同，可能导致实验结果不能真实反映结构与围岩的系列特性和规律。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法，能够对高内水作用下结构与围岩的承载特性和渗透稳定性进行研究，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种隧洞高压充水原型荷载试验装置,包括围岩和衬砌，衬砌的内侧设置有两侧反力结构，在两侧反力结构的内侧设置有内反力结构，在两侧反力结构内侧设置有加压腔密封钢圈，加压腔密封钢圈与衬砌之间形成加压腔，加压腔密封钢圈的顶部和底部分别设有排气管和加压管。

进一步地，在围岩内侧还开设有围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽，在衬砌内侧还开设有衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽。

进一步地，加压腔密封钢圈包括两端的翼板和中间的圆筒部，两端的翼板置于围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽中，加压腔密封钢圈的翼板与两侧的围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽内侧分别密封。

进一步地，排气管上设有排气管连接口和排气管阀；加压管上设有加压管连接口和加压管阀。

进一步地，侧反力结构整体呈圆筒状，其两端内侧置于围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽中，其两端外侧圆筒部分内壁与所述的加压腔密封钢圈内壁相接形成圆筒曲面；两侧反力结构通过其自身强度和围岩、衬砌的反力及摩擦力限制加压腔密封钢圈两侧翼板的侧向变形，从而达到使其密封的目的。

进一步地，内反力结构呈圆筒状，置于加压腔密封钢圈和两侧反力结构内部，其上设有内反力结构排气管孔和内反力结构加压管孔，以允许加压腔密封钢圈上排气管和加压管通过。内反力结构具有足够的刚度，以限制加压腔密封钢圈和两侧反力结构的径向变形，以免加压腔密封钢圈变形破坏或者渗漏。

本发明还提供了一种隧洞高压充水原型荷载试验方法，其特征在于，包括以下试验步骤：

步骤1：确定试验段位置；

步骤2：在试验段衬砌和围岩上开槽，形成围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽，衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽；

步骤3：安装加压腔密封钢圈，使其两侧与衬砌和围岩密封，中间圆筒部位与衬砌预留空隙，形成加压腔，上下分别连接排气管和加压管；

步骤4：在加压腔密封钢圈两侧安装或浇筑两侧反力结构；

步骤5：在加压腔密封钢圈和两侧反力结构内部安装或浇筑内反力结构；

步骤6：打开排气管阀，连接加压泵至加压管连接口，打开加压管阀给加压腔加压，待加压腔空气排净后关闭排气管阀并继续给加压腔加压至试验设计值，排气管连接口可根据需要连接软管排气；

步骤7：试验完成后移除加压泵，连接压力管至加压管连接口)，打开加压管阀排水泄压。待排水停止打开排气管阀，使加压管继续排水至加压腔水排净；

步骤8：试验结束。

与现阶段高压充水原型实验方法和方案相比，本发明的有益效果是：

(1)封闭空腔的空间远小于封闭洞段空间，减小了总注水量，一旦堵头破坏，不会导致灾难性的人员生命安全和财产损失，大大降低了安全风险；

(2)减小了堵头的横截面面积，降低了内水对堵头的压力，消弱了堵头对衬砌结构沿洞轴线方向的传力大小，避免了二衬出现由于堵头端部效应出现环向裂缝，消除堵头端部效应对实验精度的影响；

(3)由于消除了堵头的端部效应，可缩短实验段的长度，可减小加压过程中的补水流量，使内水压力达到预定的目标值得到更高的保证，提高实验到达预定目标的成功率；

(4)新的高压充水原型实验设计方案的实验条件与高压隧洞运行条件相同，保证实验结果与工程实际中结构与围岩的系列特性和规律的一致性。该设计方案能够很好的研究分析和评价高内水作用下，衬砌及围岩的承载能力，衬砌起裂及裂缝分布与扩展规律，衬砌与围岩联合作用机理，高压水在衬砌与围岩中的运移特性等问题。

附图说明

图1为本发明中试验段整体剖面图。

图2为本发明中试验段浇筑衬砌并开槽后剖面图。

图3为本发明中加压腔密封钢圈安装后剖面图。

图4为本发明中加压腔两侧反力结构剖面图。

图5为本发明中加压腔密封钢圈剖面图。

图6为本发明中加压腔密封钢圈整体图。

图7为本发明中加压腔密封钢圈两侧反力结构剖面图。

图8为本发明中加压腔密封钢圈两侧反力结构整体图。

图9为本发明中内部反力结构体剖面图。

图10为本发明中内部反力结构体整体图。

图11为本发明中加压管细节剖面图。

图12为本发明中排气管细节剖面图。

其中，1-围岩；2-衬砌；3-两侧反力结构；4-加压腔密封钢圈；5-加压腔；6-内反力结构；7-排气管；8-加压管；101-围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽；201-衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽；601-内反力结构排气管孔；602-内反力结构加压管孔；701-排气管连接口；702-排气管阀；801-加压管连接口；802-加压管阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的隧洞高压充水原型荷载试验装置包括围岩1和衬砌2，衬砌2的内侧设置有两侧反力结构3，在所述两侧反力结构3的内侧设置有内反力结构6，在所述两侧反力结构3内侧设置有加压腔密封钢圈4，所述加压腔密封钢圈4与所述衬砌2之间形成加压腔5，所述加压腔密封钢圈4的顶部和底部分别设有排气管7和加压管8。

如图2-3所示，在围岩1内侧还开设有围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽101，在衬砌2内侧还开设有衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽201。

如图4-6所示，加压腔密封钢圈4包括两端的翼板和中间的圆筒部，两端翼板置于围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽101和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽201中，所述翼板与两侧的围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽101和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽201内侧分别密封。

如图7-9所示，两侧反力结构3整体呈圆筒状，其两端内侧置于围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽101和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽201中，其两端外侧圆筒部分内壁与加压腔密封钢圈4内壁相接形成圆筒曲面；两侧反力结构3通过其自身强度和所述围岩1，衬砌2的反力及摩擦力限制加压腔密封钢圈4两侧翼板的侧向变形。

如图9和10所示，内反力结构6呈圆筒状，置于加压腔密封钢圈4和两侧反力结构3内部，其上设有内反力结构排气管孔601和内反力结构加压管孔602，以允许加压腔密封钢圈4上排气管7和加压管8通过。

如图11和12所示，排气管7上设有排气管连接口701和排气管阀702，加压管8上设有加压管连接口801和加压管阀802。

一种隧洞高压充水原型荷载试验装置的试验方法，包括以下试验步骤：

步骤1：确定试验段位置；

步骤2：在试验段衬砌2和围岩1上开槽，形成围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽101，衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽201；

步骤3：安装加压腔密封钢圈4，使其两侧与衬砌2和围岩1密封，中间圆筒部位与衬砌2预留空隙，形成加压腔5，上下分别连接排气管7和加压管8；

步骤4：在加压腔密封钢圈4两侧安装或浇筑两侧反力结构；

步骤5：在加压腔密封钢圈4和两侧反力结构3内部安装或浇筑内反力结构6；

步骤6：打开排气管阀702，连接加压泵至加压管连接口801，打开加压管阀802给加压腔5加压，待加压腔5空气排净后关闭排气管阀702并继续给加压腔5加压至试验设计值，排气管连接口701可根据需要连接软管排气；

步骤7：试验完成后移除加压泵，连接压力管至加压管连接口801，打开加压管阀802排水泄压。待排水停止打开排气管阀702，使加压管8继续排水至加压腔4水排净；

步骤8：试验结束。