离心场中隧道渗漏水模拟与测量系统

摘要

本发明属岩土及地下工程中的隧道工程研究领域，具体涉及一种离心场中隧道隧道渗漏水模拟与测量系统。模型箱为中部空心的长方体，隔板将模型箱内分隔成模型侧和附件侧，模型侧顶部设有密封顶盖，隧道管位于模型侧，液压阀及贮液缸位于附件侧；隔板由钢板、纵向加筋肋及横向加筋肋组成，钢板上设有带螺纹洞口，带螺纹洞口内套有双向接头，双向接头通过位于两端的液体导管分别连接隧道管和液压阀，液压阀与贮液缸相连；贮液缸底部设置有孔隙水压力计，顶面开有孔眼，孔隙水压力计通过该孔眼由导线连接测量设备。本发明可在高速离心场中模拟实际隧道渗漏水的情况，较好地再现实际土体应力水平，本发明所需的设备器材在现有的技术水平下都可以实现，对离心实验室的装备要求不高，可以较方便的制作与推广，更好的为科研服务。

说明书

技术领域

本发明属岩土及地下工程中的隧道工程领域，具体涉及一种离心场中隧道渗漏水模拟与测量系统。

背景技术

上海地处东海之滨，地下广泛分布着很深的软粘土沉积层，它具有土壤颗粒细(一般在0.1-0.002mm)、抗剪强度低、含水量高(w＝40％以上)、天然孔隙比大(e_max＝1.5)、灵敏度高(S_r＝4-5)、高压缩性和流变性等显著的工程特性。此外地下水位很高，一般地表下0.5-1m处即可见地下水。盾构隧道因长期受地表水与地下水有害作用的影响.在施工和运营过程中，渗漏水会使结构不均匀沉降，隧道产生弯曲，导致隧道接缝张开，从而进一步加剧渗漏。隧道的渗漏水会影响结构的耐久性和设备的正常使用，危及行车安全，同时水的流失使得孔隙水压力降低，土中有效应力增加，从而土体被压密而引起沉降。在这种情况下对地铁隧道本身的安全和对环境的影响提出了更高要求。因此亟需发展一种先进的模型试验装置针对性的研究软土中隧道渗漏水情况对其长期沉降的影响，探索其机理，从而为实际地铁隧道运营和施工提供良好的咨询和建议。离心模型试验是一种先进的物理模拟手段，能够真实再现现场的土体应力水平，尤其适用于探索岩土及地下工程机理研究。

目前国内外对软土中隧道渗漏水特性的研究主要有数值模拟方法以及现场监测的方法。数值模拟的方法相对比较成熟，但是存在的不足之处主要有：(1)土体物理力学参数对计算结果影响很大，但是由于仪器设备限制，很难得到精确的各项土体参数。(2)数值模拟方法对土体的应力历史以及边界条件难以完全模拟，造成结果的偏差。现场监测的不足之处主要有：(1)由于仪器设备以及人为观察因素的限制，现场结果有一定偏差。(2)现场监测需要大量人力物力以及资金的支持，尤其对于长期沉降的监测，比较不现实，并且时效性较差。

发明内容

本发明的目的在于提出一种离心场中隧道渗漏水模拟与测量系统。

本发明提出的离心场中隧道渗漏水模拟与测量系统，由模型箱1、有机玻璃2、隔板3、隧道管6、液压阀7、密封顶盖8、贮液缸9、液体导管和孔隙水压力计11组成，其中：

模型箱1为中部空心的长方体结构，其前侧面为有机玻璃面2，隔板3放置于模型箱1内，将模型箱1分隔为模型侧与附件侧两部分，模型侧为靠近有机玻璃面2侧，模型侧顶部设有密封顶盖8，隧道管6位于模型侧，液压阀7及贮液缸9位于附件侧；隔板3由钢板17、纵向加筋肋18及横向加筋肋21组成，矩形钢板17纵向两侧均布有纵向加筋肋18，两个纵向加筋肋18之间设有横向加筋肋21，液压阀7位于横向加筋肋21上方；钢板17上设有带螺纹洞口4，带螺纹洞口4内套有双向接头5，双向接头5一端通过第一液体导管10连接隧道管6，另一端通过第二液体导管22与液压阀7相连，液压阀7通过第三液体导管23与贮液缸9相连；贮液缸9底部固定于模型箱1内，贮液缸9底部设置有孔隙水压力计11，顶面开有孔眼，孔隙水压力计11通过该孔眼由导线19连接测量设备。

本发明中，所述隧道管6顶端沿长度方向设有5个凹槽，环向设有8个孔眼，每个孔眼均由粉细砂13填充，外面缠有一层透水土工布14；隧道管6纵向中心开有小孔，隧道管6内部设有乳胶气囊15，隧道管6侧面接近两端及端面处沿径向缠绕有乳胶带16，乳胶气囊15引出的气体导管20与气阀12连接，从气阀12引出的气体导管20连接离心机的排气系统。

本发明中，所述模型箱1的其余五个侧面均采用铝合金板。

本发明通过控制气阀12实现乳胶气囊15中气体排放；同时通过控制液压阀7实现排放隧道中水分；一部分用于控制整个离心机运作。

本发明的工作过程如下：隧道模型按照模型图制作完毕。初始时刻液压阀7和气阀12关闭。将模型箱1六个侧面拼接并用螺丝拧紧，在模型箱1内安装隔板3，并在隔板3带螺纹洞口4处固定双向接头5，连接通向两侧的第一液体导管10和第二液体导管22，在模型箱1内壁四周涂抹硅油，减小箱体与土的摩擦。加入调制好的隧道下部第一层试验土，并封闭模型箱1，在离心场中进行初步固结。

初步固结完成后，继续填土直至填完隧道管6下卧层土，然后放入隧道管6，隧道管6两侧用乳胶带16缠绕，通过水准尺测量使隧道管6水平，打开气阀12将乳胶气囊15内充入气体并堵住隧道管6上的孔眼，气压根据上覆土的厚度决定，乳胶气囊15气体充满后气阀12关闭，乳胶气囊15的乳胶膜紧贴隧道管6内壁防止周围土体水分渗入。之后密封模型箱1，继续固结土层，直到土体的固结度达到90％以上可认为固结完成。

固结完成后，安装测量设备，启动离心机直至离心场稳定，之后打开气阀12，释放乳胶气囊15中气体，与此同时打开控制排液的液压阀7，渗入隧道中液体由第三液体导管10通过液压阀7并排入贮液缸9中。在此期间，可通过贮液缸9底侧的孔隙水压力计11通过导线19连接的量测设备读出贮液缸9底的孔隙水压力，由孔隙水压力值可得出贮液缸9所存渗漏水体的高度与体积，从而可推算出隧道管的渗漏量和渗漏率。

本发明的有益效果：

本发明可提供在高速离心场中在狭小空间里模拟渗漏水因素对隧道纵向长期沉降影响并进行测量。本系统特点如下：(1)可承受最大离心加速度150g。(2)功能与构造紧密结合，利用离心机容易模拟长期沉降的优点，可以在几十小时内模拟几十年后的沉降，缩短了研究时间，并能很好的模拟实际隧道在土中的应力水平等参量。(3)对自由端的约束符合实际情况，隧道管两端的硅胶套筒可以起到防震作用。(4)由于试验是在离心机高速运转状态下进行的，因此可以减少外界不必要的扰动。(5)本实验各种设备可以手工加工，故生产起来方便，可以广泛投入到相关的科研之中。(6)利用本套系统进行隧道渗漏水情况的研究，可以在理论研究基础上进行进一步验证并深化机理的研究，为实际隧道工程设计施工及运营提供良好的咨询与建议。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为隔板3的主视图。

图4为隔板3的俯视图。

图5为固结期间隧道管6结构示意图。

图中标号：1为模型箱，2为有机玻璃面，3为隔板，4为带螺纹洞口，5为双向接头，6为隧道管，7为液压阀，8为密封顶盖，9为贮液缸，10为第一液体导管，11为孔隙水压力计，12为气阀，13为粉细砂，14为透水土工布，15为乳胶气囊，16为乳胶带，17为矩形钢板，18为纵向加筋肋，19为导线，20为气体导管，21为横向加筋肋，22为第二液体导管，23为第三液体导管。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图1和图2所示，模型箱1外形呈长方体，净尺寸为800×500×500mm(长×宽×高)，由6个侧面拼接组成。前侧面为30mm厚的有机玻璃面2，有机玻璃面2便于标注与摄像，其它侧面为30mm厚的硬质合金铝板，模型箱1内部距离侧面350mm处，且平行于侧面置有一铝合金的隔板3，厚度为30mm，隔板3将模型箱1分隔成模型侧及附件侧，模型侧可以放置填土，模型侧顶置有密封顶盖8，密封顶盖8可以采用钢化玻璃制成，尺寸为450×500×500mm(长×宽×高)。

如图3和图4所示，隔板3由一矩形钢板17、两个纵向加筋肋18及一个横向加筋肋21焊接而成。矩形钢板17尺寸为798×500×10mm(长×宽×厚)，纵向两侧均布有两个同样大小的纵向加筋肋18，尺寸为500×120×10mm(长×宽×厚)，两个纵向加筋肋18之间置有一横向加筋肋21，尺寸为266×120×10mm(长×宽×厚)。隔板3中心线底边以上150mm处刻有孔径为10mm带螺纹洞口4，带螺纹洞口4内套有带螺纹的双向接头5，一头通过第一液体导管10连接隧道管6，一头通过第二液体导管22连接液压阀7。液压阀7为通用型号，液压阀7引出的第三液体导管23与贮液缸9相连。贮液缸9为圆柱形密闭中空铝合金制成，直径70mm，高150mm，壁厚15mm，其顶面靠近中心位置分别凿有4mm和2mm孔口，内底面用胶带粘有一个孔隙水压力计11，引出的导线19通过2mm孔口与测量设备相连。所有接缝用密封条密封，第一液体导管10、第二液体导管22和第三液体导管23直径分别为4mm，导线19的直径为2mm。

如图5所示，隧道管6采用空心铝合金管，直径为62mm，长度为700mm，壁厚为20mm，纵向顶侧每隔100mm距离钻有深0.5mm的凹槽，在凹槽中沿着环向利用激光扎有8个等间距孔径为0.015mm的孔眼，且用粉细砂13保护，外面缠有一层透水土工布14，凸出厚度约2mm。隧道管6纵向中心处开有小孔，孔径为8mm，通过第一液体导管10接在隔板3带螺纹洞口4的双向接头5上。隧道管6内置有乳胶圆柱状气囊15，展开后直径为62mm，长度700mm。乳胶气囊15引出的气体导管20与气阀12连接，气阀12为通用型号，气体导管20直径为5mm，壁厚为0.5mm，从气阀12引出的气体导管20连接上离心机的排气系统。隧道管6侧面距离两端沿径向及端部套有定制的乳胶带16，轴向宽度20mm，厚度5mm。