一種隧道水壓力模型試驗方法技術

一種隧道水壓力模型試驗方法，屬隧道水荷載技術研究領域。本方法包括以下步驟：(1)、在實際地層中開挖一個隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個試驗水池，試驗水池上部和下部分別設有帶控制閥門的進水管和排水管，(3)、在隧道模型內埋設水壓監測計，(4)、在隧道模型支護前、支護后及全排水、不排水等不同工況下，調節進水管和出水管的控制閥門讓水池中的水以不同的水壓力進行下滲，通過隧道內布置的水壓監測計即可量測得出在各種工況下隧道內水壓力值及其變化規律。適合對長大富水隧道地下水滲流變化和水壓力預測以及防排水支護的研究中應用。

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于隧道工程水荷載技術研究領域，可作為隧道開挖和支護引起地下水滲流變化過程的模擬試驗研究。對于水壓力的計算理論和方法主要有4大類，即折減系數法、理論解析法、解析-數值方法、滲流理論及地球化學分析法，這些方法均為理論估算，其計算數值和實際數值往往存在較大偏差。利用模型試驗對隧道水荷載問題進行研究是目前應用較多的一種研究方法。目前所采用的模型試驗(參見《現代隧道技術》2006年增刊“對隧道襯砌水壓力荷載的討論”)多為采用粗砂、中砂和水泥砂漿模擬不同滲透性的圍巖，將其裝入容器中，通過穩定供水進行不同條件下的測試，觀測水壓值。這些試驗都是在穩定的邊界條件下對水壓力進行分析研究，其采取的數值并不是水流滲透過程和水壓變化的直接反應，因此難以對復雜地質條件下隧道開挖和支護襯砌引起的地下水滲流變化情況進行研究分析。本試驗模型及試驗方法能現場模擬實際開挖情況，還能對不同開挖方式、不同支護襯砌、不同排水方式下的地下水滲流場進行模擬，并對其地下水滲流變化過程進行研究分析。
技術實現思路
為了彌補現有水壓力模型試驗在圍巖邊界條件上的不足，本專利技術提供了一種能在真實圍巖邊界條件下對不同開挖方式、不同支護襯砌、不同排水方式下的隧道水壓力模型試驗方法。本專利技術方法包括以下步驟:(I)、在實際地層中開挖一個以欲開挖隧道為藍本按一定比例縮小的隧道，構成一個隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個試驗水池，試驗水池上部和下部分別設有帶控制閥門的進水管和排水管，(3)、在隧道模型內各主要常規監測部位埋設水壓監測計，(4)、在隧道模型支護前、支護后及全排水、不排水等不同工況下，調節進水管和出水管的控制閥門讓水池中的水根據試驗需要，以不同的水壓力進行下滲，通過隧道模型內布置的水壓監測計即可量測得出在各種工況下隧道內水壓力值及其變化規律。本專利技術方法的原理如下:我們知道，隧道內作用在襯砌上的水壓力大小與水頭高度、地層介質、滲透系數及隧道襯砌排水方式有關。本試驗模型在天然地層中采用相似理論修建隧道模型，保證了隧道模型和真實隧道具有完全相同的周邊地層性質和邊界條件。試驗時，打開進水閥向試驗水池注水，水注到需要高度后調小進水閥，調節排水閥，使試驗水池中的水控制在需要的水頭高度，使其中的水保持一定的水頭壓力由底部向地層滲透，經由地層下滲后到達隧道模型內。通過隧道模型內布置的水壓監測元件即可完成對水壓值的測試。在已知地層性質、滲透系數的前提下，通過初始下滲水壓和隧道模型內實測水壓的對比分析就能確定隧道水壓力值的計算方法，為實際隧道設計確定各種工況下水壓力數值提供參考依據。為保證隧道模型上方的模擬滲流場的形成與實際情況更為接近，隧道模型的地層邊界相對于隧道模型應足夠大，以避免或減小地層邊界對隧道防排水活動的影響，使地層的地下水流場滿足達西定律，地下水能夠沿地層裂隙、節理滲透。與現有技術相比，本專利技術方法選擇在天然地層中開挖隧道模型，試驗模型和實際隧道更具類似性，具有可以直接模擬復雜地質條件下隧道開挖和支護引起的地下水滲流變化情況的特點，使之模擬實際滲流場的效果更好、數據更接近真實，且數據采集便捷。通過進水和排水閥調節可以靈活控制試驗需要的水頭高度，可以進行無支護、襯砌支護、全排水和無排水等多種形式的水壓試驗，為實際隧道設計確定各種工況下水壓力數值提供更為可靠的參考依據。適合對長大富水隧道地下水滲流變化和水壓力預測以及防排水支護的研究中應用。下面結合實施例對本專利技術方法做進一步說明。附圖說明圖1為本專利技術方法的構成示意圖。圖2為水壓測點布置示意圖。具體實施例方式在鐵道部重大研究項目“高地應力及富水隧道設計理論和方法研究”中，我們根據課題依托工程“貴廣鐵路三都隧道”為藍本，在中鐵西南科學研究院的蛾眉試驗基地建立了水壓力試驗模型對本專利技術方法進行了驗證。具體做法參見圖1及圖2:(I)、在試驗基地選取一與“貴廣鐵路三都隧道”巖質情況相近的實際砂巖地層1，在砂巖地層I中按三都隧道的實際尺寸按比例1: 7開挖出一個隧道模型2。隧道模型2實際直徑1.2m，長度15m。(2)、在距離隧道模型2上方3m的地表開挖修筑一個長6m、寬2m、深4m的試驗水池5，直接以地表層為試驗水池5的底部以使其中的水可以直接向其下的地層下滲。試驗水池的大小以其蓄水量能滿足試驗需求為準。在水池5 —側壁上部和另一側壁下部分別設有進水管6和排水管7，在進水管6和排水管7上分別安裝有進水控制閥門8和排水控制閥門9以控制試驗水池5中的水頭高度。(3)、在隧道模型2內按常規做法在隧道模型2的拱頂、兩側和底部布置了四組水壓監測計3用于測量水壓值，通過其數據輸出線4向數據采集設備輸出數據。本次試驗采用江蘇巖泰儀器廠生產的YT-300A型水壓計及其配套數據采集儀。(4)、在隧道模型2支護前、全排水支護、不排水支護等不同工況下，調節試驗水池5的進水控制閥門8和排水控制閥門9讓試驗水池5中的水按lm、2m、4m等不同的水頭高度進行下滲，穿過地層I后，涌流到隧道模型2內。在隧道模型2內埋設的水壓監測計3將監測到的水壓值通過數據線4傳輸給數據采集儀即可完成隧道模型各點的水壓力值分布及其變化規律的量測，進而可以根據相似理論進行實際隧道水壓力計算分析。根據本試驗成果應用到三都隧道得到的水壓力數值和現場實際水壓值非常接近，準確率達到90%以上。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種隧道水壓力模型試驗方法，其特征是所述的方法包括以下步驟：(1)、在實際地層中開挖一個以欲開挖隧道為藍本按一定比例縮小的隧道，構成一個隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個試驗水池，試驗水池上部和下部分別設有帶控制閥門的進水管和排水管，(3)、在隧道模型內各主要常規監測部位埋設水壓監測計，(4)、在隧道模型支護前、支護后及全排水、不排水等不同工況下，調節進水管和出水管的控制閥門讓水池中的水根據試驗需要，以不同的水壓力進行下滲，通過隧道模型內布置的水壓監測計即可量測得出在各種工況下隧道內水壓力值及其變化規律。

【技術特征摘要】
1.一種隧道水壓力模型試驗方法，其特征是所述的方法包括以下步驟: (1)、在實際地層中開挖一個以欲開挖隧道為藍本按一定比例縮小的隧道，構成一個隧道模型， (2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個試驗水池，試驗水池上部和下部分別設有帶控制閥門的進水管和排水管， (3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李蒼松，丁建芳，谷婷，
申請(專利權)人：中鐵西南科學研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：