本发明属于交通隧道设计与建造工程技术领域，尤其涉及护盾式隧道管片设计技术领域，具体的说是一种高水压地区护盾式tbm隧道管片设计试验台架。
背景技术：
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随着我国公路铁路等基础设施建设的重心逐渐向西部转移，由于中西部独特的地理地貌特征，使得整条线路中的桥隧比例大幅提高。修建的隧道洞径越来越大，长度也越来越长，修建过程中遭遇不良地质带越来越多，其中岩溶富水区、断层破碎带引发的大涌水高水压等地质灾害问题极其普遍和突出。而采用护盾式tbm掘进的隧道，通常采用预制化钢筋混凝土管片进行支护，且在遭遇高水压的地质条件时，目前工程设计中大多通过提高管片设计参数和提高接缝防水的强度来达到防水目的，但大量的工程实例表明由于地质条件、施工等原因使得施工现场常常出现管片开裂、管片漏水、管片错台、管片突涌水等病害，严重影响了管片结构的安全性和耐久性。目前所设计的管片应对高水压的能力是有限的，很大程度上限制了管片在高水压地区的运用。目前人们对于高水压地区管片的受力特征、排水型式、设计依据缺乏深入的了解；采用管片支护的隧道防排水型式普遍采用“全封堵”的型式，防排水形式单一。现有的高水压管片受力特征实验模拟系统的水压主要是静水压力模拟系统或是采用等效水压加载系统，仅考虑了静水压力值，无法考虑现实地下水流动的一个动水头作用，且无法考虑流体与围岩的流固耦合效应。因此，高水压地区管片设计的研究是解决护盾式tbm隧道安全穿越高水压地区的关键。
技术实现要素：
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本发明提供一种护盾式tbm隧道高水压管片设计试验台架，该装置能够更好地模拟隧道所处的不同水文地质条件，实现静水头和动水头的模拟，能够更真实的模拟地下水渗流特征，实现不同防排水形式的模拟，为高水压地区管片的设计、施工和运营期的长期稳定性提供更加可靠的实验依据。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种高水压地区护盾式tbm隧道管片设计试验台架，其关键技术是：该试验台架包括主体试验箱、围岩模拟材料、台架基座、管片衬砌支护模拟材料、水压加载系统、透水过滤系统、高位水箱、滑轮、精密水压表、试验箱顶盖和检测装置等构成。主体试验箱固定于台架基座上，台架基座固结于地面，主体试验箱内部承装围岩模拟材料和管片衬砌支护模拟材料，管片衬砌支护模拟材料设置于围岩模拟材料中部，围岩模拟材料中在任意位置预埋检测装置。水压加载系统和高位水箱承装流体模拟材料，水压加载系统位于主体试验箱两侧，主体试验箱与左右侧水压加载系统之间设置有透水过滤系统，试验箱顶盖设置在主体试验箱上。水压加载系统包括左侧蓄水箱和右侧蓄水箱，左侧蓄水箱、右侧蓄水箱的外侧靠近顶部位置各开设一个注水孔，左侧蓄水箱和右侧蓄水箱沿箱体高度方向设置有水位刻度线，左侧蓄水箱外侧下部设有可调速水阀门。透水过滤系统包括左侧透水过滤系统和右侧透水过滤系统，高位水箱包括左侧高位水箱、右侧高位水箱，滑轮包括左侧滑轮和右侧滑轮，精密水压表包括右侧精密水压表和左侧精密水压表。主体试验箱左右两侧分别与左侧蓄水箱和右侧蓄水箱通过左侧透水过滤系统和右侧透水过滤系统相连通。左侧高位水箱由左侧滑轮悬挂并通过橡胶水管与左侧蓄水箱相联通，右侧高位水箱由右侧滑轮悬挂并通过橡胶水管与右侧蓄水箱相联通。左侧蓄水箱箱体中部外接左侧精密水压表，右侧蓄水箱箱体中部外右侧接精密水压表。
所述的主体试验箱的正面采用透明有机玻璃板材料，其余面采用钢板。
所述的试验箱顶盖为可拆除式，试验箱顶盖由钢板和设置在钢板下的压密式橡胶止水胶垫组成，沿周一圈等距设置螺栓孔。
所述的左侧蓄水箱和右侧蓄水箱顶部为直接封闭式，左侧蓄水箱和右侧蓄水箱均为透明有机玻璃材料制成；左侧蓄水箱、右侧蓄水箱的外侧距离顶部0.5m位置开设的注水孔的孔径为3cm。
所述的左侧透水过滤系统、右侧透水过滤系统均由两层结构组成，靠近围岩模拟材料一侧的为过滤网，远离围岩模拟材料一侧的是开孔钢板，开孔钢板上密集开孔。
所述的左侧高位水箱和右侧高位水箱能够灵活拆组。
所述的围岩模拟材料为石膏、水、砂、重晶石粉。
所述的管片衬砌支护模拟材料为石膏、水、砂等混合制作的管片结构以及pvc管、有机玻璃管。
所述的主体试验箱、左侧蓄水箱、右侧蓄水箱、左侧高位水箱、右侧高位水箱为全密闭结构。
所述的检测装置为微型水压力计、微型土压力计、电阻式应变片、位移计。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的左侧蓄水箱、右侧蓄水箱采用可视透明结构，并且沿箱体高度方向设置有水位刻度线，在低水压模拟时能够直接方便的提供所需水压；同时配有外接高位水箱，通过外部的滑轮或吊车装置任意提高高位水箱的高度，能够实现不同高水压的试验工况。
(2)本发明设置了左侧蓄水箱和右侧蓄水箱，通过右侧蓄水箱加高水压，左侧蓄水箱加低水压，同时渗流过程中右侧蓄水箱中持续补水，保持自由液面恒定不变，左侧蓄水箱通过配置的可调速水阀排水保持左侧蓄水箱中自由液面恒定，即能实现模拟有水利坡度的地下水的动态流动过程。
(3)本发明采用真实流体模拟水压，能够模拟地下渗流场-应力场的耦合作用。
(4)本发明能够模拟静水头工况、动水头工况和不同的水利坡度的工况。
(5)本发明能够模拟流体在不同渗透系数的地层中的渗流作用以及渗流路径。
(6)本发明的主体试验箱正面采用可视透明有机玻璃板制作，能够清楚直接的观察到内部围岩模拟材料情况，以及地下水在围岩模拟材料中的渗流情况和渗流路径。
(7)本发明能够模拟护盾式tbm隧道不同的防排水形式，包括“全封堵型”，“堵水限排型”和“全排型”。
(8)本发明能够模拟泄水型管片在泄水工况下对地下水渗流场的影响范围，也能模拟进行泄水型管片泄水量的模拟。
综上所述，本发明能够模拟隧道所处的不同水文地质条件，包括强渗透地层、中渗透地层和弱渗透地层；实现了静水头和动水头的模拟，能够更真实的模拟水下隧道和山岭隧道的地下水渗流特征；能够实现不同防排水形式的模拟，包括采用“封堵型”管片和“泄水型”管片的管片受力特征以及不同防排水形式的渗流场分布特征，通过本发明进行管片在外水压、地层耦合作用下的结构受力特性试验，以分析出管片在不同的围岩级别、渗透系数、水文条件、防排水型式下的围岩渗流场分布特征和管片的受力特性，为高水压地区管片的设计、施工和运营期的长期稳定性提供更加可靠的实验依据，从而更好的保证高水压地区管片设计和防排水形式设计的合理性。
附图说明：
图1是本发明的主视图；
图2是图1中a部放大结构示意图；
图3是本发明的俯视图；
图4是图1中b部放大结构示意图。
附图标记：
1-主体试验箱，2-围岩模拟材料，3-右侧蓄水箱，4-左侧蓄水箱，5-可调速水阀，6-台架基座，7-橡胶水管，8-右侧滑轮，9-左侧滑轮，10-左侧高位水箱，11-右侧高位水箱，12-右侧透水过滤系统，13-左侧透水过滤系统，14-管片衬砌支护模拟材料，15-试验箱顶盖，16-右侧精密水压计,17-左侧精密水压计,18-开孔钢板，19-过滤网，20-钢板，21-压密式橡胶止水垫。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图1-图4，本发明提供一种高水压地区护盾式tbm隧道管片设计试验台架，该试验台架包括主体试验箱1、围岩模拟材料2、台架基座6、管片衬砌支护模拟材料14、水压加载系统、透水过滤系统、高位水箱、滑轮、精密水压表、试验箱顶盖15和检测装置等构成。主体试验箱1的正面采用透明有机玻璃板材料，其余面采用钢板，主体试验箱1固定于台架基座6上，台架基座6固结于地面，主体试验箱1内部承装围岩模拟材料2和管片衬砌支护模拟材料14，管片衬砌支护模拟材料14设置于围岩模拟材料2中部，围岩模拟材料2中在任意位置预埋检测装置。水压加载系统和高位水箱承装流体模拟材料，水压加载系统位于主体试验箱1两侧，主体试验箱1与左右侧水压加载系统之间设置有透水过滤系统。试验箱顶盖15设置在主体试验箱1上，试验箱顶盖15为可拆除式，待围岩模拟材料2填充完毕之后，可关闭实验箱顶盖15，试验箱顶盖15由钢板20和设置在钢板20下的压密式橡胶止水胶垫21组成，沿周一圈等距设置螺栓孔，拧紧螺栓后能达到压密防水，最后可在试验箱顶盖15与主体试验箱1箱体接缝处涂抹防水胶，目的是保证实验过程中围岩模拟材料2填充完毕后，主体试验箱1能够达到完全密闭。
水压加载系统包括左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3，左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3顶部为直接封闭式，目的是保证实验过程中围岩模拟材料2填充完毕后，主体试验箱1能够达到完全密闭。左侧蓄水箱4、右侧蓄水箱3的外侧距离顶部0.5m位置各开设一个孔径为3cm的注水孔。左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3均为透明有机玻璃材料制成内部可视结构，左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3沿箱体高度方向设置有水位刻度线。左侧蓄水箱4外侧下部设有可调速水阀门5，渗流过程中通过调节水阀流速来保持左侧蓄水箱4中水位恒定不变。
透水过滤系统包括左侧透水过滤系统13和右侧透水过滤系统12，左侧透水过滤系统13、右侧透水过滤系统12均由两层结构组成，靠近围岩模拟材料2一侧的为过滤网19，过滤网19的目数根据不同的围岩模拟材料2进行选择，目的是为了使得在渗流过程中不发生围岩模拟材料2的流失；远离围岩模拟材料2一侧的是开孔钢板18，目的是为了固定中部的围岩模拟材料2，开孔钢板18上密集开孔，目的是提供左侧、右侧边界渗水通道，为了模拟出左右渗流边界的透水性。
高位水箱包括左侧高位水箱10、右侧高位水箱11；所述左侧高位水箱10和右侧高位水箱11能够灵活拆组，通过外部的滑轮或吊车装置能够任意提高高位水箱的高度，以此来提供左右不同的水压值。
滑轮包括左侧滑轮9和右侧滑轮8；精密水压表包括右侧精密水压表16和左侧精密水压表17；主体试验箱1的左右两侧分别与左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3通过左侧透水过滤系统13和右侧透水过滤系统12相连通；左侧高位水箱10由左侧滑轮9悬挂并通过橡胶水管7与左侧蓄水箱4相联通，右侧高位水箱11由右侧滑轮8悬挂并通过橡胶水管7与右侧蓄水箱3相联通；左侧蓄水箱4箱体中部外接左侧精密水压表17，右侧蓄水箱3箱体中部外接右侧精密水压表16。
本发明的护盾式tbm隧道管片设计试验台架的总体尺寸为长3.5m、宽0.5m、高3m；其中主体试验箱1的尺寸为长3m、宽0.5m、高3m；左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3的尺寸皆为长0.25m、宽0.5m、高3m。
本发明在进行低水压试验时，可拆除外接的左侧高位水箱10、右侧高位水箱11，直接方便的通过左侧蓄水箱4、右侧蓄水箱3上的水位刻度线控制水压。在进行高水压实验时，外接左侧高位水箱10、右侧高位水箱11，并分别通过左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3箱体中部外接的左侧精密水压表17和右侧精密水压表16控制试验水压。同样的，若是需进行无水压地层的试验，则仅需要主体试验箱1，而左侧蓄水箱4、右侧蓄水箱3中保持无水干燥既能完成。
围岩模拟材料2可选择不同的材料和配合比模拟不同的围岩级别或是不同的围岩渗透系数，材料根据试验要求自行选择，围岩模拟材料2包括：石膏、水、砂、重晶石粉。填装时每13cm一层，分作至少2次进行填装，每次填装完毕后层间刮毛，避免分层，然后人工振捣20-30次，使围岩模拟材料2达到需求的容重要求。
所述管片衬砌支护模拟材料14，可根据试验所需达到的目的，选用不同的相似材料考虑不同的相似比进行模拟，如石膏、水、砂等混合制作的管片结构以及pvc管、有机玻璃管，通过对管片衬砌结构选择开孔、不开孔，可实现不同排水形式的模拟；通过对管片衬砌不同开孔数量、间距，可模拟隧道不同的排水方案。管片衬砌支护模拟材料14在填充围岩模拟材料2的同时就填充进去。
流体模拟材料常采用水或是带颜色标记的水，由于主体试验箱1的正面一侧是采用透明可见的有机玻璃材料，在试验渗流过程中能够观察和记录地下水在地层中的渗流路径。
具体使用时，按照需求将围岩模拟材料2和管片衬砌支护模拟材料14装入主体试验箱1中，在围岩模拟材料2中任意位置预埋检测装置，然后试验箱顶盖15与主体试验箱1固定连接并密封，设置完毕之后，若需要进行静水头试验，可通过左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3上的注水孔持续缓慢的进行注水，等待地层进行渗流，根据连通器原理，左侧蓄水箱4和右侧蓄水箱3的自由液面最终会达到同一高度，该液面的高度根据试验所需的水压进行调节；若需模拟一定水利坡度的动水头试验，可通过仅向右侧蓄水箱3持续注水，右侧蓄水箱3的流体会通过地层逐渐向左侧蓄水箱4中渗透，持续加水保持右侧蓄水箱3中液面高度不变，直到左侧蓄水箱4中水压达到所需试验水压，此时，渗流还在继续，开启左侧蓄水箱4下部的可调速水阀门5，控制流速以保证左侧蓄水箱4中水压保持为试验所需水压，该系统此时能达到一个动态的流动平衡。
整个试验过程中，除设计的排水处，其它位置如主体试验箱1、左侧蓄水箱4、右侧蓄水箱3、左侧高位水箱10、右侧高位水箱11为全密闭结构。
本发明采用的检测装置根据具体试验所需量测项目选择，通常有微型水压力计、微型土压力计、电阻式应变片、位移计等，所述检测装置设置在试验方案所布置的测点位置。
本发明采用的采集装置根据具体试验所需量测项目选择，用静态应变采集仪或者动态应变采集仪采集记录试验过程中的原始数据。