[發明專利]一種隧洞襯砌結構模型試驗裝置及試驗方法

有效

• 申請號: 201910386345.8
• 申請日: 2019-05-09
• 公開（公告）號: CN110082218B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 劉立鵬;汪小剛;傅睿智;王玉杰;趙宇飛;段慶偉;王斌;孫興松;曹瑞瑯;皮進;張強;孫平;姜龍;林興超;冷合勤;李昌博;陳晨
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/06;G01N15/08;G01M13/00
• 代理公司: 北京棧橋知識產權代理事務所(普通合伙) 11670
• 代理人: 潘衛鋒

本發明公開了一種隧洞襯砌結構模型試驗裝置及試驗方法，試驗裝置包括壓力艙、應力加載機構、襯砌層和監測系統。壓力艙包括前艙門、艙體和后艙門；襯砌層可由素混凝土、鋼筋混凝土或環錨預應力混凝土等澆筑成形，另外在襯砌層與艙體內壁之間可設置圍巖模擬層；應力加載機構包括加載腔、壓力管、匯壓閥和壓力水泵；監測系統包括監測儀器和數據采集儀器；試驗方法包括襯砌層的制作與安裝、應力加載機構與監測系統的安裝、不同內外荷載加載步驟以及數據的采集與處理分析。

技術領域

本發明涉及一種隧洞襯砌結構模型試驗裝置及試驗方法，適用于地下工程復雜邊界條件下襯砌結構強度、變形特性及安全研究，也可用于不同類型襯砌與不同等級圍巖的聯合承載特性、襯砌開裂特性以及內外水滲流特性等的室內模擬研究。

背景技術

近年來隨著大量引水工程與道路工程的興建，各種類型隧洞的應用越來越廣泛，隧洞由于其結構與承擔荷載的特殊性，以及設計理論與計算方法的不完善性，存有許多尚需進一步深入研究解決的關鍵問題，譬如隧洞在復雜受力條件下，隧洞襯砌與圍巖的承載力，襯砌開裂及裂縫分布與擴展規律，襯砌與圍巖聯合作用機理及各自荷載分擔比例，有壓輸水隧洞運行期襯砌內水外滲與放空檢修期襯砌外水返滲的水頭消減規律等一系列非常復雜的綜合性問題。

目前國內對于這一系列問題的研究手段主要采用數值方法做仿真計算分析，而在室內模型試驗方面的工作基礎較為薄弱，取得的成果有限，同時現有的室內模型試驗存在幾點不足：①對于隧洞所進行的室內模型試驗研究多集中在施工方法選擇、襯砌支護結構設計承載能力驗證、隧洞滲流場分布方面，對襯砌與圍巖聯合承載特性、襯砌開裂后裂縫的分布與擴展規律方面研究較少；②現有室內模型縮尺比例范圍為1:25～1:10，相對于隧洞實際尺寸，現有模型比尺均較小，難以較為精確地還原襯砌結構各組成；③模型材料多采用砂、石灰、水泥、粉煤灰等不同配比組成的相似材料，與實際混凝土材料的力學特性及滲透特性相差較大；④現有模型中缺失對于洞室開挖引起的山巖壓力的模擬，使得襯砌與圍巖的模擬受力條件與實際工況下的受力條件不完全吻合；⑤現有模型試驗中水壓力的加載多采用千斤頂或壓力氣囊等無水加壓手段，并未采用真實的水壓力加載，導致襯砌開裂特性與實際情況不符，無法模擬真實的滲流體積力、內水外滲及外水返滲對襯砌結構與圍巖的影響，而采用真實水壓力加載的多為現場高壓充水原型試驗，這類試驗存在的主要的問題是現場試驗洞段的堵漏困難，很容易發生滲透破壞和內水滲漏，以及高壓充水試驗中補水困難，難以提高或維持較高的內水壓力。

發明內容

本發明的目的在于提供一種隧洞襯砌結構模型試驗裝置及試驗方法，能夠對高內水壓力單獨作用、高外水壓力單獨作用、高內外水壓力共同作用和山巖壓力作用等不同內外荷載對襯砌結構的混凝土應變及鋼筋應力和圍巖穩定性的影響、不同類型襯砌與不同等級圍巖的聯合承載特性及各自荷載分擔比例、襯砌開裂后裂縫的分布和擴展規律、內水外滲及外水返滲的水頭消減規律等進行研究，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種隧洞襯砌結構模型試驗裝置，包括壓力艙、襯砌層、應力加載機構和監測系統，壓力艙整體呈圓筒形，包括前艙門、艙體和后艙門，前艙門設有內水壓力表、內腔排水閥門、內密封圈、外密封圈、螺栓、螺栓孔和加強肋，艙體設有應力加載閥門外接頭、應力加載閥門內接頭、外腔注水加壓閥門、混凝土灌注孔、外腔排氣閥門、外腔排水閥門、外水壓力表、監測儀器線纜出口、底座和螺栓孔，后艙門設有內腔注水加壓閥門、內腔排氣閥門、內密封圈、外密封圈、螺栓、螺栓孔和加強肋；襯砌層整體呈圓筒形，安裝于壓力艙內部，可由素混凝土、鋼筋混凝土或環錨預應力混凝土等澆筑成形，模擬不同的襯砌結構類型，襯砌層外壁與加載腔內壁貼合，襯砌層筒體兩端面與艙體兩端面齊平；應力加載機構包括加載腔、壓力管、匯壓閥和壓力水泵；監測系統包括監測儀器和數據采集儀器。