[发明专利]一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法，试验装置包括压力舱、应力加载机构、衬砌层和监测系统。压力舱包括前舱门、舱体和后舱门；衬砌层可由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土等浇筑成形，另外在衬砌层与舱体内壁之间可设置围岩模拟层；应力加载机构包括加载腔、压力管、汇压阀和压力水泵；监测系统包括监测仪器和数据采集仪器；试验方法包括衬砌层的制作与安装、应力加载机构与监测系统的安装、不同内外荷载加载步骤以及数据的采集与处理分析。

技术领域

本发明涉及一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法，适用于地下工程复杂边界条件下衬砌结构强度、变形特性及安全研究，也可用于不同类型衬砌与不同等级围岩的联合承载特性、衬砌开裂特性以及内外水渗流特性等的室内模拟研究。

背景技术

近年来随着大量引水工程与道路工程的兴建，各种类型隧洞的应用越来越广泛，隧洞由于其结构与承担荷载的特殊性，以及设计理论与计算方法的不完善性，存有许多尚需进一步深入研究解决的关键问题，譬如隧洞在复杂受力条件下，隧洞衬砌与围岩的承载力，衬砌开裂及裂缝分布与扩展规律，衬砌与围岩联合作用机理及各自荷载分担比例，有压输水隧洞运行期衬砌内水外渗与放空检修期衬砌外水返渗的水头消减规律等一系列非常复杂的综合性问题。

目前国内对于这一系列问题的研究手段主要采用数值方法做仿真计算分析，而在室内模型试验方面的工作基础较为薄弱，取得的成果有限，同时现有的室内模型试验存在几点不足：①对于隧洞所进行的室内模型试验研究多集中在施工方法选择、衬砌支护结构设计承载能力验证、隧洞渗流场分布方面，对衬砌与围岩联合承载特性、衬砌开裂后裂缝的分布与扩展规律方面研究较少；②现有室内模型缩尺比例范围为1:25～1:10，相对于隧洞实际尺寸，现有模型比尺均较小，难以较为精确地还原衬砌结构各组成；③模型材料多采用砂、石灰、水泥、粉煤灰等不同配比组成的相似材料，与实际混凝土材料的力学特性及渗透特性相差较大；④现有模型中缺失对于洞室开挖引起的山岩压力的模拟，使得衬砌与围岩的模拟受力条件与实际工况下的受力条件不完全吻合；⑤现有模型试验中水压力的加载多采用千斤顶或压力气囊等无水加压手段，并未采用真实的水压力加载，导致衬砌开裂特性与实际情况不符，无法模拟真实的渗流体积力、内水外渗及外水返渗对衬砌结构与围岩的影响，而采用真实水压力加载的多为现场高压充水原型试验，这类试验存在的主要的问题是现场试验洞段的堵漏困难，很容易发生渗透破坏和内水渗漏，以及高压充水试验中补水困难，难以提高或维持较高的内水压力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧洞衬砌结构模型试验装置及试验方法，能够对高内水压力单独作用、高外水压力单独作用、高内外水压力共同作用和山岩压力作用等不同内外荷载对衬砌结构的混凝土应变及钢筋应力和围岩稳定性的影响、不同类型衬砌与不同等级围岩的联合承载特性及各自荷载分担比例、衬砌开裂后裂缝的分布和扩展规律、内水外渗及外水返渗的水头消减规律等进行研究，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：

一种隧洞衬砌结构模型试验装置，包括压力舱、衬砌层、应力加载机构和监测系统，压力舱整体呈圆筒形，包括前舱门、舱体和后舱门，前舱门设有内水压力表、内腔排水阀门、内密封圈、外密封圈、螺栓、螺栓孔和加强肋，舱体设有应力加载阀门外接头、应力加载阀门内接头、外腔注水加压阀门、混凝土灌注孔、外腔排气阀门、外腔排水阀门、外水压力表、监测仪器线缆出口、底座和螺栓孔，后舱门设有内腔注水加压阀门、内腔排气阀门、内密封圈、外密封圈、螺栓、螺栓孔和加强肋；衬砌层整体呈圆筒形，安装于压力舱内部，可由素混凝土、钢筋混凝土或环锚预应力混凝土等浇筑成形，模拟不同的衬砌结构类型，衬砌层外壁与加载腔内壁贴合，衬砌层筒体两端面与舱体两端面齐平；应力加载机构包括加载腔、压力管、汇压阀和压力水泵；监测系统包括监测仪器和数据采集仪器。