大型隧道模拟加载设备注排水系统及注排水方法

摘要

本发明提供一种大型隧道模拟加载设备注排水系统，包括：拼接结构，拼接结构为由上顶板、前壁、后壁、左侧板、右侧板以及底座拼接构成的密闭构架，在底座上，设置有排水口；嵌入式加载结构，嵌入式加载结构包括液压缸、推杆、推板，该结构嵌入拼接结构的上顶板、左侧板和右侧板，推杆处设置密封条完成密封；注水装置，注水装置放置于拼接结构内，注水装置包括横管和多根竖管，多根竖管分别和横管的管腔连通，在横管上具有注水口，在每根竖管上具有多个出水口，其中，注水装置为一个或多个。该系统密封性好，可在土方压实状态下快速注水。在实验完成后，控制推板挤压土方，加快排水速度，从而提高了实验的效率。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程结构模拟试验技术，特别涉及大型隧道模拟加载设备注排水系统及注排水方法。

背景技术

隧道结构与围岩相互作用的室内模拟试验装置，无论是动态仿真还是模型试验，在国内外均比较成熟，如日本、德国、美国等国家的相关试验室，以及铁道部科学研究院西南研究所、西安交通大学、中国矿业大学、同济大学等单位都有相关的试验装备。但这些试验装备小型，都只能模拟在无水或者低压水条件下，隧道开挖过程中围岩内部的应力变化和围岩支护结构之间的相互作用规律，作用范围局限，难以满足水压连续加载的试验条件，亦不能模拟高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用的试验。随着近几年我国铁路事业的飞速发展，越来越多的隧道工程不可避免地会穿越富水地层，渗水、脱浆、坍塌都是隧道开挖过程中可能发生的危险，地下分岔隧道断面复杂更是对设计方和施工方提出了更大的考验。为了给实际工程提供可参考的依据，有必要研制出一套模拟不同隧道环境下围岩及隧道结构相互作用的试验平台。

相比无水及低压水的模拟试验条件，高压水环境的模拟对平台的尺寸和承载要求有相应的提高，设备的尺寸的加大为注排水系统带来了新的难题。由于将土壤压实后，大型隧道模拟加载设备注水系统很难将水注入被压实的土壤中，对实验的完成造成了非常大的难度。试验完成后，现有的排水过程一般均采用打开排水口，让水靠重力作用自然流出。整个注排水过程非常缓慢，需要耗费几天时间才能完成。

针对高压水环境的大型隧道模拟加载设备注水难度大、排水过程缓慢等缺陷，还未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种大型隧道模拟加载设备注排水系统及注排水方法，以至少解决在隧道结构与围岩相互作用的室内模拟试验中，高压水环境的大型隧道模拟加载设备注水难度大、排水过程缓慢的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种大型隧道模拟加载设备注排水系统，包括：拼接结构，拼接结构为由上顶板、前壁、后壁、左侧板、右侧板以及底座拼接构成的密闭构架，在所述底座上，设置有排水口；嵌入式加载结构，嵌入式加载结构包括液压缸、推杆、推板，该结构嵌入拼接结构的上顶板、左侧板和右侧板，推杆处设置密封条完成密封；注水装置，所述注水装置放置于拼接结构内，所述注水装置包括横管和多根竖管，多根竖管分别和横管的管腔连通，在横管上具有注水口，在每根竖管上具有多个出水口，其中，所述注水装置为一个或多个。

优选地，所述多个出水口在竖直方向均匀分布。

优选地，在所述横管上具有吊环。

优选地，还具有隔板结构，所述隔板结构是在加载设备内部设置的可拆卸的隔板。

优选地，上顶板通过设置在后壁的旋转轴可翻转的安装。

优选地，左侧板、右侧板、前壁、后壁通过高强度螺栓固定在底座上，并通过高强度螺栓连接，再加装固定销固定；上顶板与左侧板、右侧板、前壁、后壁的上端面盖压后通过高强度螺栓连接，并加装固定销紧固。

优选地，左侧板、右侧板、前壁、后壁的上端面和下端面分别设有可对接连通的凹槽，且在凹槽内设有密封条。

优选地，在所述前壁上设置有前出料口，在所述后壁上设置有后出料口。

根据本发明的另一个方面，提供一种适用于以上所述的大型隧道模拟加载设备注排水系统的注水装置，包括：横管，在横管上具有注水口；多根竖管，在每根竖管上具有多个出水口，其中，多根竖管分别和横管的管腔连通。

根据本发明的再一个方面，提供一种利用以上所述的大型隧道模拟加载设备注排水系统进行注排水的方法，包括以下步骤：实验前在大型隧道模拟加载设备内放置1个或者多个注水装置；填充土方，将土方夯实；将横管的注水口与注水泵连接，向土方内注水；注水完成后，通过吊环将注水装置从土方里吊出；通过上顶板、左侧板、右侧板上的嵌入式加载结构进行实验预加载，将取出注水装置以后所留的空洞压实；实验结束后，打开排水口，控制嵌入式加载结构的推板挤压土方，加快排水速度。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明涉及的总体结构的后视角的立体图；

图2是本发明涉及的总体结构的前视角的立体图；

图3是本发明涉及的总体结构的截面剖视图；

图4是本发明涉及的前视角局部剖视立体图；

图5是本发明涉及的上顶板闭合状态的正面视图；

图6是本发明涉及的密封凹槽与密封条的密封结构的剖面图；

图7是本发明涉及的嵌入式加载结构的立体示意图；

图8是本发明涉及的隔板结构的立体示意图；

图9是本发明涉及的注水装置的立体示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的大型隧道模拟加载设备注排水系统及注排水方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图1是本发明涉及的总体结构的后视角的立体图；图2是本发明涉及的总体结构的前视角的立体图；图3是本发明涉及的总体结构的截面剖视图；图4是本发明涉及的前视角局部剖视立体图；图5是本发明涉及的上顶板闭合状态的正面视图。

本发明属于地下工程模拟试验技术，特别涉及无水及高压水环境下围岩及隧道结构的相互作用、结构受力及变形模拟试验研究的一种大型隧道模拟加载设备注排水系统，包括：拼接结构，拼接结构是由上顶板1，前壁2、后壁3、左侧板4、右侧板5以及底座共6个壁面拼接构成的密闭构架，在拼接结构内形成实验空间。在组装的过程中采用密封条密封和焊接密封两种形式。其中，6个壁面又可以分别由纵横交错的钢结构件焊接而成，使得拼接结构具有足够的强度。其中，底座6可以是两块板拼接而成，通过在固定螺栓孔17内拧入高强度螺栓后焊接密封成形。优选地，两块板的对接端面分别设有凹槽15(图6中示出)，凹槽15内设有密封条16，密封条16的直径大于凹槽15的宽度，从而保证两块板对接处的密封性。左侧板、右侧板、前壁、后壁通过在固定螺栓孔17内拧入高强度螺栓固定在底座6上，密封后加装固定销14固定；左侧板4和右侧板5通过高强度螺栓固定在前壁2和后壁3的左、右端面后，再通过焊接密封。上顶板通过设置在后壁的旋转轴可翻转的安装，上顶板与左侧板、右侧板、前壁、后壁的上端面盖压后通过在固定螺栓孔17内拧入高强度螺栓连接，并加装固定销14紧固。优选地，左侧板4、右侧板5、前壁2和后壁3的上端面以及下端面分别设有可对接连通的凹槽15，从而形成口字形的凹槽。凹槽15内设有密封条16，密封条16的直径大于凹槽15的宽度。上顶板1盖下后，将整个拼装结构完全密封。在底座6上设置有排水口，用于实验结束后排出内部的水。在前壁2上设有前出料口7，在后壁3上设有后出料口8，用于模拟隧道开挖。在上顶板1、左侧板2、右侧板3上，还设置有多个嵌入式加载结构，嵌入式加载结构包括液压缸20、推杆19、推板18，具体地说，液压缸设置在外部，而推杆和推板设置在拼接结构内，推杆和液压缸的活塞杆固定连接，推杆垂直于壁面插入拼接结构内，推杆和壁面的结合处设置有密封条。推板上还设置有多条加强筋，增加推板的结构强度。在上顶板1、左侧板4、右侧板5布置的共计126个嵌入式加载结构，实现左右两面和顶面两个方向力的加载。各个嵌入式加载结构之间预设有间隙，可以过滤大块沙石，并将挤压出的水排出。

在拼接结构的实验空间，可以放置一个或多个注水装置，如图9所示，该注水装置包括横管22和两根竖管23，虽然图9中采用两根竖管，但本发明并不限制竖管的数量。两根竖管23分别和横管22的管腔连通，在横管22上具有注水口221，在每根竖管上具有多个出水口231。优选地，所述出水口在竖直方向均匀分布。在使用时，该注水装置可以是一个或多个，具体地说，实验前在大型隧道模拟加载设备内放置1个或者多个注水装置。在使用时，可以将该注水装置的竖管垂直于水平面插入到模拟隧道的填充山体泥土中。优选地，在所述横管上具有吊环222。在注水完成后，可以使用吊车吊起注水装置。

利用该大型隧道模拟加载设备注排水系统，可以在土方压实的情况下向土方内注水，在注水结束后可以利用吊车吊出，并且在实验结束后，可以利用嵌入式加载结构加快排水速度。该系统结构简单，密封性好，在压实状态进行注水，能够更好的模拟实际工况，排水速度快，缩短了实验周期。

优选地，在后壁3的外部设置有耳板，耳板中穿入旋转轴9，上顶板和旋转轴固定连接，在上顶板的后部，还设置有翻转液压缸10，通过液压缸驱动上顶板1绕旋转轴9摆动，可以打开或关闭实验空间。

优选地，该拼接结构内还具有隔板结构，隔板结构如图8所示，隔板结构21为支撑式硬质钢板，其竖直地放置在拼接结构内部的空间中，通过隔板的设置，调整内部划分空间区域。在控制加载时，可单独加载隔板与拼接结构共同包围的空间，增强了试验的灵活性。

优选地，所述的底座中还设置有传感器接口，实现试件在试验过程中相关数据的采集。

根据本发明的另一个方面，提供一种大型隧道模拟加载设备用注水装置，所述注水装置适用于以上所述的大型隧道模拟加载设备注排水系统，该注水装置包括横管22和两根竖管23，在横管22的中间位置的上部具有注水口221。

两根竖管23设置与横管22的下部，并且分别和横管的管腔连通。在每根竖管23上具有多个出水口231。虽然图9中采用两根竖管，但本发明并不限制竖管的数量。出水口231可以在竖直方向均匀分布，以使注水装置能够向土方内均匀地注水。

在使用时，该注水装置可以是一个或多个，具体地说，在向拼接结构中填充土方前，可以将一个或多个注水装置预先埋入模拟隧道的填充山体泥土中，然后填充土方，待土方夯实后进行注水，采用该注水装置可以使注水更加快速均匀。优选地，在所述横管上具有吊环。在注水完成后，可以使用吊车吊起注水装置。

根据本发明的再一个方面，提供一种大型隧道模拟加载设备注排水方法，利用以上所述的注排水系统进行以下步骤：

实验前在大型隧道模拟加载设备内放置一个或者多个注水装置，具体地说，将该注水装置插入模拟隧道的填充山体泥土中；

填充土方，并使用嵌入式加载结构将土方夯实；

将注水装置的横管的注水口与注水泵连接，向土方内注水；

注水完成后，使用吊车吊装吊环，将注水装置从土方里吊出；

通过上顶板、左侧板、右侧板上的嵌入式加载结构进行实验预加载，将取出注水装置以后所留的空洞压实；

实验结束后，打开排水口，控制嵌入式加载结构的推板挤压土方，加快排水速度。各个推板之间有预设的间隙，可以过滤大块沙石，并将挤压出的水排出。

有别于目前的单独顶板注水速度慢且水不易渗透到底部的特点，本发明的大型隧道模拟加载设备注排水系统注水均匀且速度快。在实验完成后，控制推板挤压土方，加快排水速度，从而提高了实验的效率。该系统结构简单，密封性好，能够在土方压实状态下快速注水，更好的模拟实际工况，排水速度快，缩短了实验周期。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。