[发明专利]一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法，包括加压腔、加压腔密封钢圈、两侧反力结构、内反力结构、排气管、加压管及施工方法。所述的加压腔密封钢圈与衬砌、围岩进行密封形成加压腔；所述的两侧反力结构和内反力结构对加压腔密封钢圈进行反力支撑，限制其径向和侧向位移；所述的排气管、加压管用于给加压腔排气和进行加压；所述的试验方法包括加压腔密封钢圈、两侧反力结构、内反力结构的制作安装以及试验步骤。本发明可以通过试验对高内水作用下结构与围岩的承载特性和渗透稳定性进行研究，为工程设计、建设和运行提供支持。

技术领域

本发明涉及地下工程高内水条件下衬砌和围岩承载和渗流特性领域，具体涉及一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法。

背景技术

在压力隧洞内，高内水作用下，衬砌及围岩的承载能力，衬砌起裂及裂缝分布与扩展规律，衬砌与围岩联合作用机理，高压水在衬砌与围岩中的运移特性等问题，是高压隧洞工程中高度关注又极难攻克的科学难题。为了研究高内水作用下结构与围岩的承载特性和渗透稳定性，目前的原型实验主要有两种方法，第一种是在地质条件与实际隧洞工程接近的原型实验洞内，采用与实际隧洞相同的衬砌结构和围岩处理设计方案，选取一定长度的实验洞段，在实验洞段两端(通常实验洞段选在原型实验洞的端部，一端利用处理后的围岩代替堵头，减少一个堵头，节省实验费用和降低堵头漏水导致实验失败的风险)，利用全断面堵头封堵技术，使实验洞段形成封闭空间，在堵头上留有进水孔和排气孔，使用高压泵向封闭的实验洞段进行充水，直到封闭的实验洞段完全充满水后，关闭排气孔，再逐级加压，通过加压和预先埋置的多类监测仪器监测数据的采集和分析，得到高内水作用下隧洞结构与围岩的系列特性和规律。第二种同样是在地质条件与实际隧洞工程接近的原型实验洞内，采用与实际隧洞相同的衬砌结构和围岩处理设计方案，选取一定长度的实验洞段，利用千斤顶加压方法，模拟高压水作用下结构与围岩的承载能力等系列特性和规律。

第一种方法，高压充水原型实验的最大难点是堵漏困难，堵头要做到高抗渗性，避免发生渗透破坏和内水渗漏，堵头还要有足够的抵抗高内水压力的强度和阻力，避免堵头在高压水作用下发生堵头力学破坏和滑移，另一个难点是补水困难，为了消除堵头的端部效应影响，实验段的封闭空间长度通常在几十米甚至上百米长度，当高压水作用下衬砌开裂后进入围岩，由于内水在围岩中的渗流面积很大，需要很大的补水流量才能保证提高内水压力，目前的高压泵，在保持高压状态下，很难满足实验要求的补水流量，内水压力不能加到预定设计值，导致实验不能达到预想效果。目前这种高压充水试验，通常做到加压2MPa，最大加压到5MPa，再高的压力，由于补水量无法满足，压力无法加到预定值，导致实验没有达到预定目标。第二种方法，用千斤顶加压方法代替高压水，与高压输水隧洞的运行状态有所区别，千斤顶加压一直于衬砌结构的是面力，结构上裂缝的分布和扩展规律与实际运行状态可能会有所不同，可能导致实验结果不能真实反映结构与围岩的系列特性和规律。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧洞高压充水原型荷载试验装置及试验方法，能够对高内水作用下结构与围岩的承载特性和渗透稳定性进行研究，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：

一种隧洞高压充水原型荷载试验装置,包括围岩和衬砌，衬砌的内侧设置有两侧反力结构，在两侧反力结构的内侧设置有内反力结构，在两侧反力结构内侧设置有加压腔密封钢圈，加压腔密封钢圈与衬砌之间形成加压腔，加压腔密封钢圈的顶部和底部分别设有排气管和加压管。

进一步地，在围岩内侧还开设有围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽，在衬砌内侧还开设有衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽。

进一步地，加压腔密封钢圈包括两端的翼板和中间的圆筒部，两端的翼板置于围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽中，加压腔密封钢圈的翼板与两侧的围岩加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽和衬砌加压腔密封钢圈及两侧反力结构槽内侧分别密封。