专利名称：一种隧道水压力模型试验方法
技术领域：
本技术属于隧道工程水荷载技术研究领域，可作为隧道开挖和支护引起地下水渗流变化过程的模拟试验研究。对于水压力的计算理论和方法主要有4大类，即折减系数法、理论解析法、解析-数值方法、渗流理论及地球化学分析法，这些方法均为理论估算，其计算数值和实际数值往往存在较大偏差。利用模型试验对隧道水荷载问题进行研究是目前应用较多的一种研究方法。目前所采用的模型试验(参见《现代隧道技术》2006年增刊“对隧道衬砌水压力荷载的讨论”)多为采用粗砂、中砂和水泥砂浆模拟不同渗透性的围岩，将其装入容器中，通过稳定供水进行不同条件下的测试，观测水压值。这些试验都是在稳定的边界条件下对水压力进行分析研究，其采取的数值并不是水流渗透过程和水压变化的直接反应，因此难以对复杂地质条件下隧道开挖和支护衬砌引起的地下水渗流变化情况进行研究分析。本试验模型及试验方法能现场模拟实际开挖情况，还能对不同开挖方式、不同支护衬砌、不同排水方式下的地下水渗流场进行模拟，并对其地下水渗流变化过程进行研究分析。
发明内容
为了弥补现有水压力模型试验在围岩边界条件上的不足，本发明提供了一种能在真实围岩边界条件下对不同开挖方式、不同支护衬砌、不同排水方式下的隧道水压力模型试验方法。本发明方法包括以下步骤:(I)、在实际地层中开挖一个以欲开挖隧道为蓝本按一定比例缩小的隧道，构成一个隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表层为池底修筑一个试验水池，试验水池上部和下部分别设有带控制阀门的进水管和排水管，(3)、在隧道模型内各主要常规监测部位埋设水压监测计，(4)、在隧道模型支护前、支护后及全排水、不排水等不同工况下，调节进水管和出水管的控制阀门让水池中的水根据试验需要，以不同的水压力进行下渗，通过隧道模型内布置的水压监测计即可量测得出在各种工况下隧道内水压力值及其变化规律。本发明方法的原理如下:我们知道，隧道内作用在衬砌上的水压力大小与水头高度、地层介质、渗透系数及隧道衬砌排水方式有关。本试验模型在天然地层中采用相似理论修建隧道模型，保证了隧道模型和真实隧道具有完全相同的周边地层性质和边界条件。试验时，打开进水阀向试验水池注水，水注到需要高度后调小进水阀，调节排水阀，使试验水池中的水控制在需要的水头高度，使其中的水保持一定的水头压力由底部向地层渗透，经由地层下渗后到达隧道模型内。通过隧道模型内布置的水压监测元件即可完成对水压值的测试。在已知地层性质、渗透系数的前提下，通过初始下渗水压和隧道模型内实测水压的对比分析就能确定隧道水压力值的计算方法，为实际隧道设计确定各种工况下水压力数值提供参考依据。为保证隧道模型上方的模拟渗流场的形成与实际情况更为接近，隧道模型的地层边界相对于隧道模型应足够大，以避免或减小地层边界对隧道防排水活动的影响，使地层的地下水流场满足达西定律，地下水能够沿地层裂隙、节理渗透。与现有技术相比，本发明方法选择在天然地层中开挖隧道模型，试验模型和实际隧道更具类似性，具有可以直接模拟复杂地质条件下隧道开挖和支护引起的地下水渗流变化情况的特点，使之模拟实际渗流场的效果更好、数据更接近真实，且数据采集便捷。通过进水和排水阀调节可以灵活控制试验需要的水头高度，可以进行无支护、衬砌支护、全排水和无排水等多种形式的水压试验，为实际隧道设计确定各种工况下水压力数值提供更为可靠的参考依据。适合对长大富水隧道地下水渗流变化和水压力预测以及防排水支护的研究中应用。下面结合实施例对本发明方法做进一步说明。
图1为本发明方法的构成示意图。图2为水压测点布置示意图。
具体实施例方式在铁道部重大研究项目“高地应力及富水隧道设计理论和方法研究”中，我们根据课题依托工程“贵广铁路三都隧道”为蓝本，在中铁西南科学研究院的蛾眉试验基地建立了水压力试验模型对本发明方法进行了验证。具体做法参见图1及图2:(I)、在试验基地选取一与“贵广铁路三都隧道”岩质情况相近的实际砂岩地层1，在砂岩地层I中按三都隧道的实际尺寸按比例1: 7开挖出一个隧道模型2。隧道模型2实际直径1.2m，长度15m。(2)、在距离隧道模型2上方3m的地表开挖修筑一个长6m、宽2m、深4m的试验水池5，直接以地表层为试验水池5的底部以使其中的水可以直接向其下的地层下渗。试验水池的大小以其蓄水量能满足试验需求为准。在水池5 —侧壁上部和另一侧壁下部分别设有进水管6和排水管7，在进水管6和排水管7上分别安装有进水控制阀门8和排水控制阀门9以控制试验水池5中的水头高度。(3)、在隧道模型2内按常规做法在隧道模型2的拱顶、两侧和底部布置了四组水压监测计3用于测量水压值，通过其数据输出线4向数据采集设备输出数据。本次试验采用江苏岩泰仪器厂生产的YT-300A型水压计及其配套数据采集仪。(4)、在隧道模型2支护前、全排水支护、不排水支护等不同工况下，调节试验水池5的进水控制阀门8和排水控制阀门9让试验水池5中的水按lm、2m、4m等不同的水头高度进行下渗，穿过地层I后，涌流到隧道模型2内。在隧道模型2内埋设的水压监测计3将监测到的水压值通过数据线4传输给数据采集仪即可完成隧道模型各点的水压力值分布及其变化规律的量测，进而可以根据相似理论进行实际隧道水压力计算分析。根据本试验成果应用到三都隧道得到的水压力数值和现场实际水压值非常接近，准确率达到90%以上。
权利要求
1.一种隧道水压力模型试验方法，其特征是所述的方法包括以下步骤: (1)、在实际地层中开挖一个以欲开挖隧道为蓝本按一定比例缩小的隧道，构成一个隧道模型， (2)、在隧道模型上方以原地表层为池底修筑一个试验水池，试验水池上部和下部分别设有带控制阀门的进水管和排水管， (3)、在隧道模型内各主要常规监测部位埋设水压监测计， (4)、在隧道模型支护前、支护后及全排水、不排水等不同工况下，调节进水管和出水管的控制阀门让水池中的水根据试验需要，以不同的水压力进行下渗，通过隧道模型内布置的水压监测计即可量测得出在各种工况下隧道内水压力值及其变化规律。
全文摘要
一种隧道水压力模型试验方法，属隧道水荷载技术研究领域。本方法包括以下步骤(1)、在实际地层中开挖一个隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表层为池底修筑一个试验水池，试验水池上部和下部分别设有带控制阀门的进水管和排水管，(3)、在隧道模型内埋设水压监测计，(4)、在隧道模型支护前、支护后及全排水、不排水等不同工况下，调节进水管和出水管的控制阀门让水池中的水以不同的水压力进行下渗，通过隧道内布置的水压监测计即可量测得出在各种工况下隧道内水压力值及其变化规律。适合对长大富水隧道地下水渗流变化和水压力预测以及防排水支护的研究中应用。
文档编号G01V9/00GK103176220SQ201110442038
公开日2013年6月26日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者李苍松, 丁建芳, 谷婷 申请人:中铁西南科学研究院有限公司