施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統及其試驗方法技術方案

一種施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統及其試驗方法，試驗系統包括滲流模型箱的箱體和數據采集裝置，箱體的頂部設有壓力表，側壁底部設有溢流孔，側壁頂端和底端分別設有模型箱上進水孔和模型箱下進水孔；相對的兩側壁上開有隧道孔；固定鋼筋籠的兩端固定于隧道孔孔緣內壁上，其外包裹隔土層；法蘭盤的外圈螺栓固定于隧道孔孔緣外壁上，內、外鋼筋籠分別均通過法蘭盤固定于隧道兩隧道孔之間；法蘭盤的內孔設有蓋板；在內外鋼筋籠之間螺紋連接施工期隔土板；在內鋼筋籠內螺紋固定掌子面擋水板；且二者位于同一垂向截面上。該系統可方便、準確、真實地測試滲流場作用下隧道施工、運營期的滲流場情況。

【技術實現步驟摘要】
施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統及其試驗方法
本專利技術涉及一直施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統及其試驗方法，屬于土木工程試驗領域。
技術介紹
隧道長期滲漏水可能導致隧道外地下水大量流失、地下水位下降、地表水源枯竭，伴隨著水土流失、植被破壞、地面塌陷等發生；對隧道結構而言，滲漏水易造成襯砌變形、拱頂塌方，加速錨桿和拱架的腐蝕，同時侵蝕隧道內附屬設施，此外，路面積水還會使行車環境惡化，影響行車安全，破壞路面質量。由此可見，解決隧道滲漏水問題將有助于保證隧道結構安全、延長其使用壽命、保護周圍生態環境，其核心就是要了解隧道結構與滲流場體之間的關系。隧道開挖的各個階段，地下滲流場會隨之改變，采用隧道滲流場模型試驗裝置及其試驗方法對地下滲流場進行測試，是研究地下水變化、水壓力對隧道結構的影響及隧道涌水量等的一種重要手段。國內眾多科研院所先后對礦山法和盾構隧道中的水問題進行了模型試驗設計：(1)《巖石力學與工程》2007年第5期介紹了一種高水壓隧道滲流場試驗裝置系統，由水壓力加載裝置、密閉箱體、隧道結構和水壓力測試裝置4部分組成，密閉箱體用鋼板、槽鋼和工字鋼焊接加工而成，尺寸為2m×1m×1.3m，該系統僅能在恒定靜水頭作用下對圓形預制隧道結構進行模擬試驗，無法實現隧道施工各階段滲流場以及動水頭和變水頭的模擬。(2)專利權人為西南交通大學，中國專利申請號201120000959.7介紹了一種盾構隧道泄水式管片襯砌模型試驗箱。該試驗箱包括密閉承壓的箱體、圓形PVC管構成的隧道模型以及儲水容器，可以研究泄水式管片襯砌對圍巖孔隙水壓力和泄流量的影響，但不能體現動水頭和變水頭的影響，也無法模擬對隧道施工有重大影響的注漿層。(3)專利權人為山東大學，中國專利申請號201110412569.5介紹了一種海底隧道流固耦合模型試驗系統及其試驗方法，包括高強度剛性試驗結構架、高強度鋼化玻璃密封箱、監測顯示系統、計算機控制平臺和壓力水箱，可模擬平面及準三軸流固耦合模型試驗，但無法實現對注漿加固層和不同滲透系數襯砌的模擬，也不能對不同水頭下隧道的涌水量和排水量進行預測。綜合分析上述單位的模型試驗系統，還存在以下不足之處：1、上述模型試驗系統水頭通常恒定不可調控，模擬地下水位效果單一，難以有效支撐隧道全線施工，更無法對不同地下水位高度的城市隧道、山嶺隧道和海底隧道進行滲流場分析。2、隧道施工期是隧道修建的重要階段，了解隧道施工期滲流場變化、預測涌水量、測試圍巖—支護體系的水壓力分布以及掌子面注漿的影響，對隧道工程能否順利完成至關重要，而上述試驗系統均無法完成隧道修建階段的滲流場分析。3、隧道周邊圍巖注漿加固區滲透系數和厚度的改變對地下滲流場影響較大，也會直接改變隧道結構的水壓力和涌(排)水量，現有的模型試驗裝置均沒有考慮或不能調整，即使可調整，也只能通過更換箱體內的預埋土體實現，操作繁瑣，對試驗造成較大干擾，且耗時過長，不利于多次重復試驗。
技術實現思路
本專利技術的第一專利技術目的是提供一種施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統。該系統能夠方便、準確、真實地測試滲流場作用下隧道施工、運營期的水壓力、涌(排)水量和滲流場變化，并可根據試驗需求對圍巖、注漿加固區、掌子面預注漿區和初襯的參數進行自由配置和更換，最大限度地還原隧道及其周邊滲流場的情況。本專利技術實現其第一專利技術目的采取的技術方案是：一種施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統，包括滲流模型箱的箱體和采集水壓和滲流量的數據采集裝置，所述箱體頂部設有壓力表，箱體側壁底部設有排水的溢流孔，其結構特點是：與現有技術相比，本專利技術實現其第一專利技術目的采取的技術方案的有益效果是：1.通過在箱體中隔土層外填充不同的巖土體模擬圍巖，從而可模擬出隧道的不同水文、巖土地質條件，將模型箱上進水孔與提供水頭的供水設備連接，即可很好地模擬海底隧道的滲流場；；將模型箱下進水孔與提供水頭的供水設備連接，即可很好地模擬城市隧道、山嶺隧道的滲流場；從而對隧道工程的防滲設計和施工提供可靠的試驗依據，以保證隧道的安全。2.除了固定鋼筋籠和箱體之間是固定的，其余部分均為可拆卸結構，靈活性強；可在固定鋼筋籠外填充的圍巖不變的情況下，更換內鋼筋籠和外鋼筋籠之間的巖土體，模擬在同樣的圍巖條件下，不同的滲透系數的注漿加固區(內鋼筋籠和外鋼筋籠之間的區域)對隧道滲流量的影響；還可根據實際情況調整隧道結構的襯砌和二襯，操作簡單，實用性強。3.通過法蘭盤內圈螺栓和卡槽的設計，即可實現注漿加固區和隧道結構的單獨模擬控制，實用性和靈活性較強。4.施工期隔土板和掌子面擋水板與內鋼筋籠和外鋼筋籠之間通過螺紋連接，可根據實際試驗要求改變施工期隔土板和掌子面擋水板的位置，從而模擬測出施工期隧道開挖至不同位置處的隧道滲流場及其涌水量，對隧道工程的設計和施工提供可靠的試驗依據，保證隧道施工的安全。進一步，本專利技術所述的模型箱上進水孔或模型箱下進水孔與移動式水箱裝置相連，所述移動水箱裝置的具體結構是：移動式水箱置于升降式水箱架的升降臺上、移動式水箱的進水口通過軟管與設置于升降臺下方的固定式水箱內部的潛水泵連接，移動式水箱底部的出水口通過軟管與模型箱上進水孔或模型箱下進水孔相連。這樣，通過控制移動式水箱裝置，對隧道處于靜水頭、變水頭和動水頭的狀態進行研究；可真實地測試動水頭、靜水頭和變水頭作用下隧道施工、運營期的水壓力、涌(排)水量和滲流場變化。本專利技術的第二專利技術目的是提供一種用上述的施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統模擬施工期隧道滲流場的試驗方法。通過該方法能夠方便、準確、真實地測試滲流場作用下隧道施工的水壓力、涌水量和滲流場變化，并可根據試驗需求對圍巖、注漿加固區、掌子面預注漿區和初襯的參數進行自由配置和更換，最大限度地還原隧道及其周邊滲流場的情況。本專利技術實現其第二專利技術目的所采取的技術方案是：一種用上述的施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統模擬施工期隧道滲流場的試驗方法，其步驟如下：A.將模擬圍巖的巖土體按設定的壓實度分層鋪設、填充入滲流模型箱的箱體中；并在巖土層中預埋水壓力計；B.在外鋼筋籠和內鋼筋籠之間的施工期隔土板的右側填充模擬圍巖的巖土體，在施工期隔土板的左側填充模擬注漿加固區巖體的加固巖土層，在加固巖土層中預埋水壓力計；將土工布貼合于掌子面擋水板左側的內鋼筋籠內壁上，以模擬隧道的襯砌；C.在內鋼筋籠內的掌子面擋水板右側填滿模擬圍巖的巖土體，蓋上右側的法蘭盤的蓋板；D.將移動式水箱底部的出水口與模型箱上進水孔或模型箱下進水孔相連，并將移動式水箱調節至設定的高度；E.采集內鋼筋籠和外鋼筋籠之間的巖土體的水壓，箱體內鋪設的巖土體的水壓和未蓋上蓋板的法蘭盤處流出的水量；結束試驗，即模擬得出特定圍巖、注漿加固條件下的隧道施工期的滲流場分布及隧道在掌子面擋水情況下的涌水量；F.拆除內鋼筋籠內的掌子面擋水板，重新采集內鋼筋籠和外鋼筋籠之間的巖土體的水壓，箱體內鋪設的巖土體的水壓和未蓋上蓋板的法蘭盤處流出的水量；結束試驗，即模擬得出特定圍巖、注漿加固條件下的隧道施工期的滲流場分布及總涌水量。本專利技術的第三專利技術目的是提供一種用上述的施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統模擬運營期隧道滲流場的試驗方法。該方法能夠方便、準確、真實地測試滲流場作用下隧道運營期的水壓力、排水量和滲流場變化本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統，包括滲流模型箱的箱體(1)和采集水壓和滲流量的數據采集裝置，所述箱體(1)頂部設有壓力表(2)，箱體(1)側壁底部設有排水的溢流孔(5)，其特征在于：所述的箱體(1)的側壁頂端設有模型箱上進水孔(12)，側壁底端設有模型箱下進水孔(13)；箱體(1)相對的兩側壁上開有隧道孔；固定鋼筋籠(6)的兩端焊接固定于隧道孔的孔緣內壁上，外鋼筋籠(7)及外鋼筋籠(7)內的內鋼筋籠(8)兩端對準隧道孔，且內鋼筋籠(8)的兩端通過法蘭盤(3)的內圈螺栓(3a)與法蘭盤(3)連接，法蘭盤(3)的外圈螺栓(3b)螺紋固定于箱體(1)的隧道孔的孔緣外壁上，外鋼筋籠(7)的兩端卡合于法蘭盤(3)內表面的卡槽上；法蘭盤(3)上設有可蓋住法蘭盤(3)內孔的蓋板(4)；固定鋼筋籠(6)、內鋼筋籠(8)、外鋼筋籠(7)的端面、隧道孔和法蘭盤(3)的內孔的形狀均為馬蹄形；固定鋼筋籠(6)外包裹有由細鋼絲網和無紡布混合而成的隔土層(9)；在外鋼筋籠(7)和內鋼筋籠(8)之間螺紋連接有施工期隔土板(10)；在內鋼筋籠(8)的內表面上螺紋固定有掌子面擋水板(11)；且施工期隔土板(10)與掌子面擋水板(11)位于同一垂向截面上。...

【技術特征摘要】
1.一種施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統，包括滲流模型箱的箱體(1)和采集水壓和滲流量的數據采集裝置，所述箱體(1)頂部設有壓力表(2)，箱體(1)側壁底部設有排水的溢流孔(5)，其特征在于：所述的箱體(1)的側壁頂端設有模型箱上進水孔(12)，側壁底端設有模型箱下進水孔(13)；箱體(1)相對的兩側壁上開有隧道孔；固定鋼筋籠(6)的兩端焊接固定于隧道孔的孔緣內壁上，外鋼筋籠(7)及外鋼筋籠(7)內的內鋼筋籠(8)兩端對準隧道孔，且內鋼筋籠(8)的兩端通過法蘭盤(3)的內圈螺栓(3a)與法蘭盤(3)連接，法蘭盤(3)的外圈螺栓(3b)螺紋固定于箱體(1)的隧道孔的孔緣外壁上，外鋼筋籠(7)的兩端卡合于法蘭盤(3)內表面的卡槽上；法蘭盤(3)上設有可蓋住法蘭盤(3)內孔的蓋板(4)；固定鋼筋籠(6)、內鋼筋籠(8)、外鋼筋籠(7)的端面、隧道孔和法蘭盤(3)的內孔的形狀均為馬蹄形；固定鋼筋籠(6)外包裹有由細鋼絲網和無紡布混合而成的隔土層(9)；在外鋼筋籠(7)和內鋼筋籠(8)之間螺紋連接有施工期隔土板(10)；在內鋼筋籠(8)的內表面上螺紋固定有掌子面擋水板(11)；且施工期隔土板(10)與掌子面擋水板(11)位于同一垂向截面上。2.根據權利要求1所述的一種施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統，其特征在于：所述的模型箱上進水孔(12)或模型箱下進水孔(13)與移動式水箱裝置相連，所述移動水箱裝置的具體結構是：移動式水箱(14)置于升降式水箱架(15)的升降臺上、移動式水箱(14)的進水口(14a)通過軟管與設置于升降臺下方的固定式水箱(16)內部的潛水泵(17)連接，移動式水箱(14)底部的出水口(14b)通過軟管與模型箱上進水孔(12)或模型箱下進水孔(13)相連。3.一種用權利要求2所述的施工及運營期隧道滲流場模型試驗系統模擬施工期隧道滲流場的試驗方法，其步驟如下：A.將模擬圍巖的巖土體按設定的壓實度分層鋪設、填充入滲流模型箱的箱體(1)中；并在巖土層中預埋水壓力計；B.在外鋼筋籠(7)和內鋼筋籠(8)之間的施工期隔土板(10)的右側填充模擬圍巖...

【專利技術屬性】
技術研發人員：何川，李錚，駱耀文，高翔，汪波，鄒育麟，
申請(專利權)人：西南交通大學，
類型：發明
國別省市：四川;51