隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟试验台

摘要

本发明公开了属于地下工程模拟试验技术的涉及一种隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟试验台。由四大部分组成：①反力框架；②液压伺服控制加载系统；③水压加载及密封系统，④液压加载和数据采集计算机控制系统。本发明实现了隧道围岩、隧道结构与地下压力水三者之间相互作用的室内模型模拟试验。解决了施加水压力与施加地层压力相互独立调节，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；渗透压力对隧道结构的作用；不同堵、排水方法隧道衬砌结构的受力特点等问题进行模拟研究。对于更好地开展地下水与围岩相互作用规律、地下水和围岩渗透性对隧道结构变形、受力的影响等方面的研究具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程模拟试验技术，特别涉及一种隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟试验台。

背景技术

隧道结构与围岩相互作用的室内模型试验装置，无论是平面的还是立体的，在国内外均比较成熟，如美国、德国、波兰等国家的相关试验室，以及国内铁道部科学研究院、交通部重庆公路科学研究所、中国矿业大学、总参工程兵第三研究所、西安科技大学、山东科技大学等单位都有相关的试验装备。但这些试验装备都只能模拟隧道开挖过程中围岩内部的应力变形和围岩与支护结构之间的相互作用规律，无法模拟地下压力水的作用，而在相似材料模型试验中模拟压力水具有一定的困难，既要保证地层压力和水压力的模拟加载相互独立，又要保证整个试验装置在密封的情况下，不同方向加载板互不抵触，且比起不含水的情况，其试验难度更大，实验装置设计制作不好，可能达不到预期效果，这也是很多年来研究人员想做但却没做的一个原因。近几年，随着隧道建设规模和领域的扩大，有越来越多的隧道建设在一定的地下压力水的环境中，如西南地区铁路、公路建设经常穿越含压力水地层，在建和准备建设的若干江底、海底隧道等，而在压力水地层修建隧道，目前尚缺乏设计经验，在建隧道中的突水和已建成运营隧道的渗漏水问题时有发生，因此水的问题是该领域很值得研究的课题。本发明在此背景下，成功研制出了可模拟隧道结构、地层和地下水在不同加载条件下相互作用的试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟试验台，其特征在于，所述试验台共有四大部分组成：①反力框架；②液压伺服控制加载系统；③水压加载及密封系统，④液压加载和数据采集计算机控制系统。

所述反力框架由底座、整体式框架、前后限位板、前后隧道口挡板和顶盖构成，底座与整体式框架焊接成整体，前后限位板、前后隧道口挡板和顶盖通过高强度螺栓与整体式框架连接。

所述液压伺服控制加载系统由液压泵站、液压油缸、传力杆、承压板、伺服阀、伺服控制器和控制软件构成，顶盖上固定4个顶部液压油缸，整体框架两侧各固定2个侧向液压油缸，每个液压油缸通过伺服阀进行单独控制加载，从而实现不同加载的组合。

所述水压加载及密封系统由水压泵站、顶盖上的压力水舱、承压板上透水孔、顶面、前后面、隧道口挡板、隧道衬砌端头的密封圈构成，压力水通过相似材料模型体顶面的裂隙、空隙渗透到模型体内部，压力水渗透到隧道衬砌周边，通过布设在衬砌周边的透水管排放，在管上加装控制阀及流量计可控制水排放量，额定工作水压力0.2MPa。

所述液压加载和数据采集计算机控制系统由工控机、8通道伺服控制器、40通道数据采集器、计算机及控制软件构成，实现8个液压油缸以力或位移控制方式伺服加载，模型体内渗透压力、地层应力、衬砌结构变形由各相应的传感器进行数据采集与动态跟踪。

所述整体式框架由长方体形工字钢框架和左右侧板焊接形成的不可分整体。

所述承压板和整体式框架的材料采用高强度工字钢和钢板，顶部额定承载力2000kN，水平左右额定承载力1000kN，前后限位板额定承载力1000kN，许可变形0.1mm。

所述液压油缸单缸最大工作压力20MPa，最大行程200mm，最大加载500kN，

本发明的有益效果：本发明可实现隧道结构、地层和地下水在不同加载条件下相互耦合作用规律的相似材料模拟试验，具体而言：

①按1∶50几何相似比，可模拟相当于实际1000m高水头压力和地层压力作用下，隧道围岩内部应力、位移分布及支护结构受力与变形特点；

②可模拟各种偏载作用下，隧道围岩内部应力、位移分布及支护结构受力与变形特点；

③可模拟不同压力水与不同裂隙分布围岩或土体耦合作用规律；

④可模拟各种不同堵排水措施与隧道结构所受渗透压力之间关系。

因此，本发明主要解决了已有模型实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室内模型模拟试验。解决了施加水压力与施加地层压力相互独立，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；渗透压力对隧道结构的作用；不同堵、排水方法隧道衬砌结构的受力特点等问题进行模拟研究。本发明实现了国内隧道结构与围岩相互作用的室内模型试验装置的相似材料模拟中不能模拟地下压力水的模型试验，对于更好地开展地下水与围岩相互作用规律、地下水和围岩渗透性对隧道结构变形、受力的影响等方面的研究具有重要意义。

附图说明

图1试验台正视图

图2试验台俯视图

图3试验台右视图

图4相似材料模型体受力图

附图中标号说明如下：

1.顶部液压油缸  2.顶盖  3.液压油缸传力杆  4.顶部密封圈5.压力水舱  6.整体式框架  7.顶部承压板及压力水透水孔  8.侧向承压板  9.侧向液压油缸  10.相似材料模型体  11.排水管  12.司服阀  13.隧道口挡板  14.侧向液压油缸传力杆  15.隧道衬砌及压力水密封圈  16.位移传感器  17.底座  18.后限位板顶座  19.后限位板20.顶盖与框架连接螺栓  21.右侧板  22.前限位板  23.前限位板顶座24.左侧板  25.顶部地层压力  26.侧向地层压力  27.水压力

具体实施方式

本发明提供一种隧道结构、围岩及地下水相互作用的模拟试验台。由四大部分组成：①反力框架；②液压伺服控制加载系统；③水压加载及密封系统，④液压加载和数据采集计算机控制系统。下面结合附图予以说明。在图1、图2中，反力框架的构成：整体式框架6(包括了右侧板21和左侧板24)与底座17焊接成整体；前限位板22、后限位板19、前后隧道口挡板13和顶盖2通过高强度螺栓20与整体式框架6连接，在顶部承压板7上设置有压力水透水孔；各承压板和整体式框架的材料采用高强度工字钢和钢板，顶部额定承载力2000kN，水平左右额定承载力1000kN，前后限位板额定承载力1000kN，许可变形0.1mm。相似材料模型体10固定在整体式框架内，水压力27通过模型体顶面的裂隙、空隙渗透到模型体内部。液压伺服控制加载系统包括液压泵站、顶盖2上的4个顶面液压油缸1、整体框架两侧各2个侧向液压油缸9固定在左侧板24、右侧板21上、顶面液压油缸传力杆3和侧向液压油缸传力杆14各自固定在相应的液压油缸和顶部承压板7、两个侧向承压板8之间、伺服阀12和控制软件构成伺服控制器。单个液压油缸最大工作压力20MPa，最大行程200mm，最大加载500kN，每个液压油缸通过伺服阀可进行单独控制加载，因此可实现不同加载的组合。如图1、2、3所示，水压加载及密封系统由水压泵站、顶盖2的压力水舱5、顶部承压板7上透水孔、顶面密封圈4、前限位板22及前限位板顶座23、后限位板19及后限位板顶座18、隧道口挡板13、隧道衬砌端及密封圈15构成，压力水通过相似材料模型体10顶面的裂隙、空隙渗透到模型体内部，压力水渗透到隧道衬砌及压力水密封圈15周边，通过布设在衬砌周边的排水管11排放，在管上加装阀及流量计可控制水排放量，额定工作水压力0.2MPa。液压加载和数据采集计算机控制系统由工控机、8通道伺服控制器、预埋在采集模型体中的，包括位移传感器16在内的40个传感器的通道数据采集器、计算机及控制软件构成，实现8个液压油缸以力或位移控制方式伺服加载，模型体内渗透压力、顶部地层压力25、侧向地层压力26及水压力27、衬砌结构变形等位移的数据采集与动态跟踪。

本发明的实施方式描述如下。

1.试验前准备工作：试验指导书制定，包括试验目的、相似比例确定、相似材料配比与用量、相似材料模型体铺设方法、测试物理量及传感器布设方法、试验程序等，准备相似材料、模型制备工具、隧道衬砌模型、各种传感元件等辅助材料，检查试验台的机械系统、液压系统、水压及密封系统、电气系统工作是否正常。

2.准备工作就绪后，拆下连接顶盖的油管和水管，卸下连接顶盖与整体框架的螺栓，用行吊将顶盖吊离，放置地面安全地点；检查整体框架前后面上“O”型密封圈是否完好，然后用高强度螺栓将前后限位板紧压在“O”型密封圈上与整体框架连接起来。

3.根据试验指导书，在试验台中铺设相似材料模型体，并埋设预制隧道衬砌及排水盲管、各种传感器元件，将传感元件导线引出连接在数据采集器上，将排水管引出连接在控制开关和流量计上；在隧道衬砌端头粘贴密封圈，将隧道口挡板紧压密封圈与前后限位板用螺栓固定在一起。

4.将顶盖吊装到位，并用高强度螺栓将其与整体框架牢固连接，将水管、油管连接到顶盖上。

5.接通液压泵站、水压泵站电源，启动油泵，使液压站提供一定压力的油源，启动冷却泵，对回路油液进行冷却。

6.打开计算机、工控机、伺服控制器和数据采集器电源，运行加载控制程序“Eight.exe”，在“设定力值”编辑框内填上所需加载力值，先点击“缩到底”按钮，使油缸复位，然后分别点击每一通道对应的第二列按钮，并观察力值变化，直到每个通道都带上一个微小的力值后，停止点击，确保每一个承压板都接触到了相似材料模型体。

7.启动水泵，并根据需要调节输出水压，向顶盖中的压力水舱加水，并通过承压板的透水孔将压力水加到相似材料模型体，保持稳定的压力水，同时将顶盖上的放气孔用螺栓拧紧。

8.点击“试验开始”，经过约半分钟的自动调整，开始对相似材料模型体以给定力值进行加载，其间点击“力值动画”可以实时观测加载曲线。

9.加载到预先设定的力值后，启动数据采集程序，调整不同的排水量，分别采集模型体中各预埋传感器的数据并保存，以备分析，亦可在计算机屏幕上动态显示各监测物理量隧排水量的变化曲线。在同一个相似材料模型体中，还可改变施加的水压力，重复进行试验。

10.试验结束后，点击“缩到底”，使活塞杆全部回到油缸里。按顺序关闭油泵、冷却泵，再关闭控制器并退出程序、关闭工控机。