[发明专利]施工及运营期隧道渗流场模型试验系统及其试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一直施工及运营期隧道渗流场模型试验系统及其试验方法，属于土木工程试验领域。

背景技术

隧道长期渗漏水可能导致隧道外地下水大量流失、地下水位下降、地表水源枯竭，伴随着水土流失、植被破坏、地面塌陷等发生；对隧道结构而言，渗漏水易造成衬砌变形、拱顶塌方，加速锚杆和拱架的腐蚀，同时侵蚀隧道内附属设施，此外，路面积水还会使行车环境恶化，影响行车安全，破坏路面质量。由此可见，解决隧道渗漏水问题将有助于保证隧道结构安全、延长其使用寿命、保护周围生态环境，其核心就是要了解隧道结构与渗流场体之间的关系。隧道开挖的各个阶段，地下渗流场会随之改变，采用隧道渗流场模型试验装置及其试验方法对地下渗流场进行测试，是研究地下水变化、水压力对隧道结构的影响及隧道涌水量等的一种重要手段。

国内众多科研院所先后对矿山法和盾构隧道中的水问题进行了模型试验设计：

(1)《岩石力学与工程》2007年第5期介绍了一种高水压隧道渗流场试验装置系统，由水压力加载装置、密闭箱体、隧道结构和水压力测试装置4部分组成，密闭箱体用钢板、槽钢和工字钢焊接加工而成，尺寸为2m×1m×1.3m，该系统仅能在恒定静水头作用下对圆形预制隧道结构进行模拟试验，无法实现隧道施工各阶段渗流场以及动水头和变水头的模拟。

(2)专利权人为西南交通大学，中国专利申请号201120000959.7介绍了一种盾构隧道泄水式管片衬砌模型试验箱。该试验箱包括密闭承压的箱体、圆形PVC管构成的隧道模型以及储水容器，可以研究泄水式管片衬砌对围岩孔隙水压力和泄流量的影响，但不能体现动水头和变水头的影响，也无法模拟对隧道施工有重大影响的注浆层。

(3)专利权人为山东大学，中国专利申请号201110412569.5介绍了一种海底隧道流固耦合模型试验系统及其试验方法，包括高强度刚性试验结构架、高强度钢化玻璃密封箱、监测显示系统、计算机控制平台和压力水箱，可模拟平面及准三轴流固耦合模型试验，但无法实现对注浆加固层和不同渗透系数衬砌的模拟，也不能对不同水头下隧道的涌水量和排水量进行预测。

综合分析上述单位的模型试验系统，还存在以下不足之处：

1、上述模型试验系统水头通常恒定不可调控，模拟地下水位效果单一，难以有效支撑隧道全线施工，更无法对不同地下水位高度的城市隧道、山岭隧道和海底隧道进行渗流场分析。

2、隧道施工期是隧道修建的重要阶段，了解隧道施工期渗流场变化、预测涌水量、测试围岩—支护体系的水压力分布以及掌子面注浆的影响，对隧道工程能否顺利完成至关重要，而上述试验系统均无法完成隧道修建阶段的渗流场分析。

3、隧道周边围岩注浆加固区渗透系数和厚度的改变对地下渗流场影响较大，也会直接改变隧道结构的水压力和涌(排)水量，现有的模型试验装置均没有考虑或不能调整，即使可调整，也只能通过更换箱体内的预埋土体实现，操作繁琐，对试验造成较大干扰，且耗时过长，不利于多次重复试验。

发明内容

本发明的第一发明目的是提供一种施工及运营期隧道渗流场模型试验系统。该系统能够方便、准确、真实地测试渗流场作用下隧道施工、运营期的水压力、涌(排)水量和渗流场变化，并可根据试验需求对围岩、注浆加固区、掌子面预注浆区和初衬的参数进行自由配置和更换，最大限度地还原隧道及其周边渗流场的情况。

本发明实现其第一发明目的采取的技术方案是：一种施工及运营期隧道渗流场模型试验系统，包括渗流模型箱的箱体和采集水压和渗流量的数据采集装置，所述箱体顶部设有压力表，箱体侧壁底部设有排水的溢流孔，其结构特点是：

与现有技术相比，本发明实现其第一发明目的采取的技术方案的有益效果是：

1.通过在箱体中隔土层外填充不同的岩土体模拟围岩，从而可模拟出隧道的不同水文、岩土地质条件，将模型箱上进水孔与提供水头的供水设备连接，即可很好地模拟海底隧道的渗流场；；将模型箱下进水孔与提供水头的供水设备连接，即可很好地模拟城市隧道、山岭隧道的渗流场；从而对隧道工程的防渗设计和施工提供可靠的试验依据，以保证隧道的安全。

2.除了固定钢筋笼和箱体之间是固定的，其余部分均为可拆卸结构，灵活性强；可在固定钢筋笼外填充的围岩不变的情况下，更换内钢筋笼和外钢筋笼之间的岩土体，模拟在同样的围岩条件下，不同的渗透系数的注浆加固区(内钢筋笼和外钢筋笼之间的区域)对隧道渗流量的影响；还可根据实际情况调整隧道结构的衬砌和二衬，操作简单，实用性强。