申请/专利权人：石家庄铁道大学

申请日：2017-11-10

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN107894384B

主分类号：G01N15/08(20060101)

分类号：G01N15/08(20060101);G01N33/24(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2018.05.04#实质审查的生效;2018.04.10#公开

摘要：本发明公开了富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，属于隧道受力模拟领域，包括模型箱，模型箱中下部设置有聚丙烯管，聚丙烯管开口端下部设置有水量测量装置，聚丙烯管上设置有泄水孔，模型箱内的聚丙烯管圆周外设置有与聚丙烯管内连通的纵向盲管和环向盲管，密封箱内布置有模拟裂隙的土工布和孔隙水压力计，孔隙水压力计与静态应变仪连接，聚丙烯管、纵向盲管、环向盲管、土工布四周设置长方体围岩，模型箱顶部设置有密封顶盖，顶盖上设置有进水口和调压阀门，顶盖上还设置有压力表，模型箱底部设置有排水阀门。本发明准确的模拟富水区裂隙岩体隧道衬砌的真实地下水环境，便于衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征的测试与分析。

主权项：1.富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于：包括长方体模型箱（1），所述模型箱（1）中下部设置有穿透模型箱（1）两个相对侧壁的一端封闭一端开口的聚丙烯管（2），聚丙烯管（2）开口端下部设置有水量测量装置，聚丙烯管（2）外圆周上设置有泄水孔（18），所述模型箱（1）内的聚丙烯管（2）圆周外设置有与聚丙烯管（2）内连通的纵向盲管（3）和环向盲管（4），模型箱（1）内布置有模拟裂隙的土工布（5）和孔隙水压力计（6），所述孔隙水压力计（6）与连接在计算机上的静态应变仪连接，所述聚丙烯管（2）、纵向盲管（3）、环向盲管（4）、土工布（5）四周设置由水泥砂浆浇筑而成的模拟岩体的长方体围岩（7），所述模型箱（1）顶部设置有密封顶盖（8），所述顶盖（8）上设置有向模型箱（1）内提供压力水的进水口和调压阀门，所述顶盖（8）上还设置有测量模型箱（1）内顶面水压的压力表（9），所述模型箱（1）底部设置有模拟隧道底面透水边界的排水阀门；所述纵向盲管（3）沿着聚丙烯管（2）长度方向设置在聚丙烯管（2）两侧底部，环向盲管（4）沿着聚丙烯管（2）外圆周布置，环向盲管（4）与纵向盲管（3）相连通，纵向盲管（3）与聚丙烯管（2）连通，纵向盲管（3）和环向盲管（4）均包括内部的弹簧，弹簧外包裹纱布；所述进水口上端通过高压水管（11）与压力水源连接，进水口处设置有阀门a（12），压力水源处设置有阀门b（13），所述高压水管（11）上还设置有一个分支出水管（14），所述分支出水管（14）上设置有阀门c（15）；所述顶盖（8）上设置有与模型箱（1）内连通的阀门d（16）；所述土工布（5）按照模拟试验的内容进行布置，模拟一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管（2）的长度方向平行布置一面土工布（5），截取三个平行于土工布（5）的断面，分别为两端的断面a、断面c和中间的断面b，所述断面b与土工布（5）重合，断面a经过环向盲管（4），孔隙水压力计（6）设置在断面a、断面b和中间的断面c上；模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管（2）的长度方向平行布置两面土工布（5），截取三个平行于土工布（5）的断面，分别为两端的断面A、断面C和中间的断面B，所述断面A和断面C与土工布（5）重合，断面A和断面C经过环向盲管（4），孔隙水压力计（6）设置在断面A、断面C和中间的断面B上；所述断面b、断面A和断面C上围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计（6），断面b、断面A和断面C上平行于聚丙烯管（2）径向设置有三竖排孔隙水压力计（6）；断面a、断面c、断面B上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙水压力计（6）；所述聚丙烯管（2）外包裹纱布，孔隙水压力计（6）外包裹纱布；所述模型箱（1）上设置有供孔隙水压力计（6）的信号线导出的出线口（17）；所述围岩（7）顶部低于顶盖（8）底面；所述排水阀门设置有多个，均布在模型箱（1）底面上两个交叉对角线上。

全文数据：富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统技术领域[0001]本发明涉及隧道受力模拟领域，尤其是一种隧道衬砌水压力模拟系统。背景技术[0002]根据我国发展战略的需要，对交通基础建设的需求在日益增加，铁路、公路路网的完善是交通基础建设中的重点，而路网的完善要不可避免的修建大量的山岭隧道。特别是我国西部地区，多山且地质构造复杂，丰富的地下水为隧道的修建带来技术难题，尤其是在有裂隙的山体中修建大埋深隧道，衬砌往往需要承受高水压，这对隧道结构非常不利。为了降低衬砌水压力，目前主要采用的是“以堵为主，限量排放”的治水方案，在不影响当地生态环境的同时，可以有效的降低衬砌水压力。高水压富水地区不仅隧道的修建非常困难，己建成的隧道，运营中时常有衬砌结构变形、开裂、破坏等病害发生，主要原因是隧道衬砌承受较大的水压力。在“以堵为主，限量排放”的治水方案下，隧道结构必定要受到地下水的影响，因此，试验研宄在高水压下衬砌背后水压力分布特征显得尤为重要。发明内容[0003]本发明需要解决的技术问题是提供一种富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，准确的模拟富水区裂隙岩体隧道衬砌的真实渗流环境，便于衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征的测试与分析。[0004]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，包括长方体模型箱，所述模型箱中下部设置有穿透模型箱两个相对侧壁的一端封闭一端开口的聚丙烯管，聚丙烯管开口端下部设置有水量测量装置，聚丙烯管外圆周上设置有泄水孔，所述模型箱内的聚丙烯管圆周外设置有与聚丙烯管内连通的纵向盲管和环向盲管，密封箱内布置有模拟裂隙的土工布和孔隙水压力计，所述孔隙水压力计与连接在计算机上的静态应变仪连接，所述聚丙烯管、纵向盲管、环向盲管、土工布四周设置由水泥砂浆浇筑而成的模拟岩体的长方体围岩，所述模型箱顶部设置有密封顶盖，所述顶盖上设置有向模型箱内提供压力水的进水口和调压阀门，所述顶盖上还设置有测量模型箱内顶面水压的压力表，所述模型箱底部设置有模拟隧道底面透水边界的排水阀门。[0005]本发明技术方案的进一步改进在于:所述纵向盲管沿着聚丙烯管长度方向设置在聚丙烯管两侧底部，环向盲管沿着聚丙烯管外圆周布置，环向盲管与纵向盲管相连通，纵向盲管与聚丙烯管连通，纵向盲管和环向盲管均包括内部的弹簧，弹簧外包裹纱布。[0006]本发明技术方案的进一步改进在于:所述进水口上端通过高压水管与压力水源连接，进水口处的设置有阀门a，压力水源处设置有阀门b，所述高压水管上还设置有一个分支出水管，所述分支出水管上设置有阀门C。[0007]本发明技术方案的进一步改进在于:所述顶盖上设置有与模型箱内连通的阀门d。[0008]本发明技术方案的进一步改进在于:所述土工布按照模拟试验的内容进行布置，模拟一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管的长度方向平行布置一面土工布，截取三个平行于土工布的断面，分别为两端的断面a、断面c和中间的断面b，所述断面b与土工布重合，断面a经过环向盲管，孔隙水压力计设置在断面a、断面b和中间的断面c上；模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙稀管的长度方向平行布置两面土工布，截取三个平行于土工布的断面，分别为两端的断面A、断面C和中间的断面B，所述断面A和断面C与土工布重合，断面A和断面C经过环向盲管，孔隙水压力计设置在断面A、断面C和中间的断面B上。[0009]本发明技术方案的进一步改进在于:所述断面b、断面A和断面C上围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计，断面b、断面A和断面C上平行于聚丙烯管径向设置有三竖排孔隙水压力计;断面a、断面c、断面B上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙水压力计。[0010]本发明技术方案的进一步改进在于:所述聚丙烯管外包裹纱布，孔隙水压力计外包裹纱布。[0011]本发明技术方案的进一步改进在于:所述模型箱上设置有供孔隙水压力计的信号线导出的出线口。[0012]本发明技术方案的进一步改进在于:所述围岩顶部低于顶盖底面。[0013]本发明技术方案的进一步改进在于:所述排水阀门设置有多个，均布在模型箱底面上两个交叉对角线上。[0014]由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：本发明通过准确的模拟富水区裂隙岩体隧道衬砌的真实渗流环境，便于衬砌背后、裂隙面上及围岩中水压力分布特征的分析。[0015]纵向盲管和环向盲管均使用弹簧包纱布模拟，把纱布包在弹簧上来制作排水系统，可有效的保证排水系统的畅通。孔隙水压力计外用纱布进行包裹，避免模拟围岩的浇筑过程中，砂浆堵塞预埋在围岩中孔隙水压力计上的透水石。[0016]阀门b和阀门槽c的配合调节实现了模型箱内水压和渗流的稳定；顶盖上阀门d将外部空气与模型箱内部连通，起到稳定模型箱内部气压作用，便于模型箱内水源的注入和充满。[0017]模拟箱内孔隙水压力计的布置保证了衬砌背后、裂隙面上及围岩中的水压力全部获取，为试验结果提供完整和全面的数据支撑。[0018]排水阀门设置有多个且均布在模型箱底面上，控制隧道底部的排水，通过控制排水阀门的开关，来模拟围岩在不同透水边界条件下的渗流场。附图说明[0019]图1是本发明系统结构示意图；图2是本发明一条贯穿裂隙的结构示意图；图3是本发明两条平行贯穿裂隙的结构示意图；图4是断面b、断面A和断面C上孔隙水压力计排布示意图；图5是断面a、断面c和断面B上孔隙水压力计排布示意图；其中，1、模型箱，2、聚丙烯管，3、纵向盲管，4、环向盲管，5、土工布，6、孔隙水压力计，7、围岩，8、顶盖，9、压力表，10、出线口，11、高压水管，I2、阀门a，13、阀门b，14、分支出水管，丄£、岡IJc，丄b、l伐」IJd，17、出线口，18、泄水孔。具体实施方式[0020]下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：如图1〜5所示，富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，包括长方体模型箱1，模型箱1中下部设置有穿透模型箱1两个相对侧壁的聚丙烯管2,聚丙烯管2一端开口一端封闭，聚丙烯管2外圆周上设置有泄水孔18,泄水孔I8沿着聚丙烯管2长度方向设置有一排，聚丙烯管2开口端下部设置有水量测量装置，主要包括量筒、量杯等，配备秒表可做时间记录。聚丙烯管2外包裹纱布，在聚丙烯管上包纱布模拟的是隧道二衬与初支之间土工布和防水板层的地下水渗流。聚丙烯管2圆周外设置有纵向盲管3和环向盲管4，纵向盲管3沿着聚丙烯管2长度方向设置在聚丙烯管2两侧靠底部的位置，环向盲管4沿着聚丙烯管2外圆周布置有多个，环向盲管4与纵向盲管3相连通，纵向盲管3与聚丙燦管2连通。纵向盲管3和环状盲管4均包括内部的弹簧，弹簧外包裹纱布。具体的，隧道衬砌用外径为20cm的聚丙炼管模拟，纵向盲管用外径为4mm的弹簧包纱布模拟，环向盲管用外径为2mm的弹簧包纱布模拟。[0021]密封箱1内布置有土工布5和孔隙水压力计6,其中土工布5用于模拟裂隙，布置在需要模拟裂隙的位置。孔隙水压力计6与静态应变仪连接，静态应变仪与计算机连接，模型箱1上设置有供孔隙水压力计6的信号线导出的出线口10。聚丙炼管2、纵向盲管3、环向盲管4、土工布5四周浇筑水泥砂浆形成模拟岩体的长方体围岩7。[0022]模型箱1顶部设置有密封顶盖S，围岩7顶部低于顶盖8底面。顶盖8上设置有向模型箱1内提供压力水的进水口和调压阀门，进水口上端通过高压水管11与压力水源连接，调压阀门主要包括阀门b13和阀门c15，其中阀门b13设置在压力水源处，高压水管11上还设置有一个分支出水管14，阀门c15设置在分支出水管14上，阀门b和阀门槽c的配合调节实现了模型箱内水压和渗流的稳定。其中在高压水管11进水口处的设置有阀门al2，起到打开和关闭模型箱的作用。其中顶盖8上设置有与模型箱1内连通的阀门dl6,阀门d将外部空气与模型箱内部连通，起到稳定模型箱内部气压作用，便于模型箱内水源的注入和充满。[0023]顶盖8上还设置有测量模型箱1内围岩顶部的顶面的水压的压力表9,用于监测模型箱内的水压。模型箱1底部设置有多个排水阀门，均布在模型箱1底面两个对角交叉线上，控制隧道底部的排水，通过控制排水阀门的开关，来模拟围岩在不同透水边界条件下的渗流场。[0024]土工布5按照模拟试验的内容进行布置，模拟一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管2的长度方向平行布置一面土工布5,截取三个平行于土工布5的断面，分别为两端的断面a、断面c和中间的断面b，断面b与土工布5重合，断面a经过环向盲管4;断面b上围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计6,断面b上平行于聚丙烯管2径向设置有三竖排孔隙水压力计6,其中中间一竖排孔隙水压力计6与聚丙烯管径向重合，断面a、断面c上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙水压力计6。[0025]模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管2的长度方向平行布置两面土工布5,截取三个平行于土工布5的断面，分别为两端的断面A、断面C和中间的断面B，断面A和断面C与土工布5重合，断面A和断面C经过环状向管4。断面A和断面C上围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计6，断面A和断面C上平行于聚丙烯管2径向设置有三竖排孔隙水压力计6,其中中间一竖排孔隙水压力计6与聚丙烯管2径向重合，断面B上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙水压力计6。优选的在孔隙水压力计6外包裹纱布，避免围岩的浇筑过程中，砂衆堵塞预埋在围岩中孔隙水压力计上的透水石。且每个孔隙水压力计6进行编号，便于测定。

权利要求：1.富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:包括长方体模型箱（1，所述模型箱（1中下部设置有穿透模型箱（1两个相对侧壁的一端封闭一端开口的聚丙烯管2，聚丙烯管2开口端下部设置有水量测量装置，聚丙烯管2外圆周上设置有泄水孔（18，所述模型箱（1内的聚丙烯管¾圆周外设置有与聚丙烯管2内连通的纵向盲管3和环向盲管4，密封箱（1内布置有模拟裂隙的土工布5和孔隙水压力计6，所述孔隙水压力计6与连接在计算机上的静态应变仪连接，所述聚丙烯管（2、纵向盲管3、环向盲管4、土工布5四周设置由水泥砂浆浇筑而成的模拟岩体的长方体围岩7，所述模型箱（1顶部设置有密封顶盖8，所述顶盖S上设置有向模型箱1内提供压力水的进水口和调压阀门，所述顶盖S上还设置有测量模型箱（1内顶面水压的压力表9，所述模型箱1底部设置有模拟隧道底面透水边界的排水阀门。2.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述纵向盲管3沿着聚丙烯管2长度方向设置在聚丙烯管2两侧底部，环向盲管4沿着聚丙烯管2外圆周布置，环向盲管4与纵向盲管3相连通，纵向盲管3与聚丙烯管2连通，纵向盲管¾和环向盲管4均包括内部的弹簧，弹簧外包裹纱布。3.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述进水口上端通过高压水管（11与压力水源连接，进水口处的设置有阀门a12，压力水源处设置有阀门bI3，所述高压水管（11上还设置有一个分支出水管（14，所述分支出水管（14上设置有阀门c15。4.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述顶盖⑻上设置有与模型箱1内连通的阀门d16。5.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述土工布5按照模拟试验的内容进行布置，模拟一条贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管2的长度方向平行布置一面土工布5，截取三个平行于土工布5的断面，分别为两端的断面a、断面c和中间的断面b，所述断面b与土工布5重合，断面a经过环向盲管4，孔隙水压力计6设置在断面a、断面b和中间的断面c上；模拟两条平行贯通裂隙时按照垂直于聚丙烯管（2的长度方向平行布置两面土工布5，截取三个平行于土工布5的断面，分别为两端的断面A、断面C和中间的断面B，所述断面A和断面C与土工布5重合，断面A和断面C经过环向盲管4，孔隙水压力计6设置在断面A、断面C和中间的断面B上。6.根据权利要求5所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述断面b、断面A和断面C上围绕聚丙烯管圆周设置有多个孔隙水压力计6，断面b、断面A和断面C上平行于聚丙烯管2径向设置有三竖排孔隙水压力计6;断面a、断面c、断面B上沿着聚丙烯管径向设置一竖排孔隙水压力计6。7.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水f力分布试验模拟系统，其特征在于:所述聚丙烯管2外包裹纱布，孔隙水压力计6外包裹纱布。8.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述模型箱1上设置有供孔隙水压力计6的信号线导出的出线口（17。9.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述围岩7顶部低于顶盖8底面。10.根据权利要求1所述的富水区裂隙岩体隧道衬砌水压力分布试验模拟系统，其特征在于:所述排水阀门设置有多个，均布在模型箱1底面上两个交叉对角线上。

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