[发明专利]海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及隧道结构的试验领域，尤其涉及一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法。

背景技术

海底(水底)隧道工程的主要特点就是受水土共同作用，而隧道排导水的方式不同时，外水压力如何取值成为隧道支护结构设计中普遍存在的一个难题，也是工程界关注和争议的热点之一。我国铁路隧道和公路隧道在以往设计中对地下水采取“防、排、截、堵相结合，以排为主”的防排水原则，因此一般不考虑作用在衬砌上的水压力，结果造成了大量的环境问题，其一是地下水长期由隧道大量排走，地下水位降低，造成洞顶地表失水并发生沉降变形；其二是地下水从隧道大量流失，围岩中的地下水渗流通道(如岩层节理裂隙或岩溶管道)中的充填物被水冲走，贯通性愈来愈好，可能造成隧道洞内流量不断增大，各种病害如衬砌渗漏变形、路面翻浆冒泥、排水沟淤塞漫流等逐年严重，同时，衬砌背后渗水通道的扩大还会造成衬砌受力不均匀。因此我国水工隧洞设计规范在设计时考虑了衬砌外水压力，引入一个折减系数β来计算不同情况下的水压力大小，但β的取值仅考虑了围岩与衬砌的相对渗透系数，而且在取值时靠定性判断为主，缺乏定量的标准，其确定带有很大的主观性。实际上，作用在衬砌上的水压力与围岩级别、初始渗流场、衬砌条件、防排水措施以及初始地应力场等均密切相关。

目前，对于隧道渗流场、应力场的耦合分析研究方面，国内外有不少观点和成果，但是大多都是基于简化经验公式或数值模拟计算的，其工程应用性不强，同时也很难反映围岩及衬砌结构的实际受力特点。对于模型试验而言，可以很好的与实际工程对照，也便于与其他研究方法比较，就目前而言，国内外还没有能够进行应力场、渗流场共同作用下的模型试验，多数是单独考虑的，这就很难反映应力场、渗流场共同作用下隧道围岩内部应力、位移分布及支护结构受力与变形特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法，基于本发明，能够反映应力场、渗流场共同作用下隧道围岩内部应力、位移分布及支护结构受力与变形特点。

本发明公开了一种海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法，包括如下步骤：模型制作步骤，基于相似理论，选取相似材料模拟原型隧道围岩及衬砌材料，根据抗水压衬砌断面形状确定试验模板形状，完成模型制作；测试点布置步骤，布置模型测点，采用光纤光栅采集结构应变数据，采用U型水银压力计进行水压力的数据采集；试验加载控制步骤，分别通过控制液压千斤顶和所述试验模型进水口处水压表的水压值实现；数据采集步骤，分别进行所述衬砌背后水压力分布、二次衬砌应变及排水量采集。

上述试验方法，优选所述模型制作步骤中，所述模型表面设置有环氧树脂。

上述试验方法，优选注浆圈采用所述围岩材料加注水泥水玻璃溶液，纵向盲管与环向盲管由塑料水平管制作而成，外表壁设置多个透水口，所述透水口外由纱布包扎以防止砂土的流入。

上述试验方法，优选所述测试点布置步骤中，所述多个测试点被分为两组，第一组测试点布置在隧道周围，第二组测试点布设在所述围岩中，所述压力盒与隧道衬砌紧贴，所述多个测试点布设引水导管，在所述衬砌结构两个断面的内、外表面分别布设应变片。

上述试验方法，优选所述试验加载控制步骤中，所述试验中的载荷值根据相似准则导出值和试验设备加载能力确定。

上述试验方法，优选所述数据采集步骤中，采用光纤光栅测试系统对所述二次衬砌结构的应变数据进行采集。

上述试验方法，优选采用U型水银压力计对所述围岩中的水压力进行数据采集。

与现有技术比，本发明的有益效果是：

第一、解决了已有模型试验装备中无法模拟地下压力水的问题，实现了隧道围岩、隧道结构与地下压力水三者之间相互作用的模型试验；第二、解决了施加水压力与施加土应力相互独立，在密封条件下，不同方向加载互不干扰，从而可以对不同水压、不同地层条件下渗透规律；第三、采用光纤光栅及U型水银计进行数据采集，克服了精度受其他因素干扰的问题。

附图说明

图1是本发明海底隧道衬砌水压力分布规律试验方法实施例的步骤流程图；

图2是本发明实施例测试点布置步骤中，测试点分布示意图；

图3a是本发明实施例测试时在全封闭条件下隧道衬砌背后水压力分布示意图，单位为千帕；

图3b是本发明实施例测试时在全封闭条件下隧道模型注浆圈外水压力分布示意图，单位为千帕；

图4a是本发明实施例测试时在限排条件下隧道衬砌水压分布示意图，单位为千帕；

图4b是本发明实施例测试时在限排条件下隧道模型注浆圈外水压力分布示意图，单位为千帕；