[发明专利]富水岩溶隧道衬砌外水压力测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，涉及一种富水岩溶隧道衬砌外水压力测试装置及测试方法，特别涉及富水岩溶隧道衬砌外水压力的测试装置及不同排水孔失效区段长度下衬砌外水压力的测试方法。

背景技术

交通工程是国家的重要基础设施，在国民经济发展中占有十分重要的地位。在云、贵、川地区，许多城市的各行政区间被山脉所分割。为了加快城区间人流、物流流通和缓解城市公共交通压力，需要在山岭地区修建大量的城区间交通隧道，包括公路隧道、铁路隧道和地铁隧道。而云、贵、川地区的隧址区经常涉及到高水压富水岩溶地层。在城市地区山岭交通隧道富水区隧道防排水设计若采用“以排为主”的设计理念，将会造成三方面的问题，一是由于“以排为主”的设计理念，在衬砌结构设计计算中往往不考虑水压力，衬砌设计较薄，尽管初期节约了一定资金，但在运营中衬砌破裂的事例屡有发生；二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，引起隧址区地表居民生活用水缺失和房屋塌陷等问题；三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。若在高水压段采用以堵为主的方案，将会导致数值很大的水压力，增大隧道结构的施工难度，提高建设成本。此外在后期的运营期间易出现由于衬砌承担水压力过大造成隧道渗漏水或衬砌开裂等病害，对城市交通的运营环境和安全构成严重的威胁。

我国铁路隧道设计规范用矿山法修建的山岭隧道采用排导方式，通常通过设置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。因此，不考虑水压力对衬砌的作用。我国公路隧道设计规范中提到“当隧道位于常水位以下，又不宜排泄时，隧道衬砌应该采用抗水压衬砌。隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则”，但对如何考虑衬砌水压力没有给出明确的方法。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，计算数值和实际数值往往存在较大偏差。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，对于富水岩溶隧道渗流场与应力场的耦合分析已有不少观点和成果，但多数是基于简化经验公式或数值计算结果，无法给实际隧道工程的结构设计提供准确的水压力参数。尤其是城市地区隧道结构的防排水设计理念已由“已排为主，防排结合”转向“主动堵水、限量排放”的条件下，衬砌结构外水压力荷载应如何准确取值更无参考可依。在此情况下，进行富水岩溶隧道衬砌外水压力现场量测试验具有重要的理论意义和工程应用价值。但国内相关规范或试验规程中均未给出富水岩溶隧道衬砌结构外水压力的测试装置及方法。此外，岩溶地区的岩溶水易与空气中的CO₂反应析出CaCO₃结晶体，造成隧道衬砌内的环向排水孔堵塞，如何模仿和量测岩溶隧道运营期间隧道排水孔被结晶体堵塞导致排水失效时隧道结构衬砌外水压力对评价运营期间隧道结构的安全性和耐久性均具有重要的研究意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于富水岩溶隧道衬砌外水压力的测试装置和模仿运营期间区段排水孔失效后衬砌外水压力的测试方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种富水岩溶隧道衬砌外水压力测试装置，包括排水装置、外水压力量测装置以及开关装置；

所述排水装置由连接接头、横向导水管组成；所述外水压力量测装置由三通接头、连通管、水压力表组成；所述开关装置由法兰球阀组成；

连接接头与横向导水管相连，横向导水管与三通接头的一端相连，三通接头的中间端通过连通管与水压力表相连，三通接头的另一端通过横向导水管与法兰球阀相连。

进一步，所述连接接头采用内螺纹连接接头。

进一步，所述横向导水管采用钢制材料。

本发明还提供了一种富水岩溶隧道衬砌外水压力测试方法，包括以下步骤：

步骤一：确定测试断面；步骤二：安装外水压力测试装置；步骤三：采用排水孔封堵方法逐段模拟排水孔失效，进而量测隧道运营期间可能产生的最大外水压力值。