專利名稱：一種隧道水壓力模型試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)屬于隧道工程水荷載技術(shù)研究領(lǐng)域，可作為隧道開挖和支護(hù)引起地下水滲流變化過程的模擬試驗(yàn)研究。對(duì)于水壓力的計(jì)算理論和方法主要有4大類，即折減系數(shù)法、理論解析法、解析-數(shù)值方法、滲流理論及地球化學(xué)分析法，這些方法均為理論估算，其計(jì)算數(shù)值和實(shí)際數(shù)值往往存在較大偏差。利用模型試驗(yàn)對(duì)隧道水荷載問題進(jìn)行研究是目前應(yīng)用較多的一種研究方法。目前所采用的模型試驗(yàn)(參見《現(xiàn)代隧道技術(shù)》2006年增刊“對(duì)隧道襯砌水壓力荷載的討論”)多為采用粗砂、中砂和水泥砂漿模擬不同滲透性的圍巖，將其裝入容器中，通過穩(wěn)定供水進(jìn)行不同條件下的測(cè)試，觀測(cè)水壓值。這些試驗(yàn)都是在穩(wěn)定的邊界條件下對(duì)水壓力進(jìn)行分析研究，其采取的數(shù)值并不是水流滲透過程和水壓變化的直接反應(yīng)，因此難以對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道開挖和支護(hù)襯砌引起的地下水滲流變化情況進(jìn)行研究分析。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)方法能現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)際開挖情況，還能對(duì)不同開挖方式、不同支護(hù)襯砌、不同排水方式下的地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并對(duì)其地下水滲流變化過程進(jìn)行研究分析。

發(fā)明內(nèi)容
為了彌補(bǔ)現(xiàn)有水壓力模型試驗(yàn)在圍巖邊界條件上的不足，本發(fā)明提供了一種能在真實(shí)圍巖邊界條件下對(duì)不同開挖方式、不同支護(hù)襯砌、不同排水方式下的隧道水壓力模型試驗(yàn)方法。本發(fā)明方法包括以下步驟:(I)、在實(shí)際地層中開挖一個(gè)以欲開挖隧道為藍(lán)本按一定比例縮小的隧道，構(gòu)成一個(gè)隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個(gè)試驗(yàn)水池，試驗(yàn)水池上部和下部分別設(shè)有帶控制閥門的進(jìn)水管和排水管，(3)、在隧道模型內(nèi)各主要常規(guī)監(jiān)測(cè)部位埋設(shè)水壓監(jiān)測(cè)計(jì)，(4)、在隧道模型支護(hù)前、支護(hù)后及全排水、不排水等不同工況下，調(diào)節(jié)進(jìn)水管和出水管的控制閥門讓水池中的水根據(jù)試驗(yàn)需要，以不同的水壓力進(jìn)行下滲，通過隧道模型內(nèi)布置的水壓監(jiān)測(cè)計(jì)即可量測(cè)得出在各種工況下隧道內(nèi)水壓力值及其變化規(guī)律。本發(fā)明方法的原理如下:我們知道，隧道內(nèi)作用在襯砌上的水壓力大小與水頭高度、地層介質(zhì)、滲透系數(shù)及隧道襯砌排水方式有關(guān)。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谔烊坏貙又胁捎孟嗨评碚撔藿ㄋ淼滥Ｐ?，保證了隧道模型和真實(shí)隧道具有完全相同的周邊地層性質(zhì)和邊界條件。試驗(yàn)時(shí)，打開進(jìn)水閥向試驗(yàn)水池注水，水注到需要高度后調(diào)小進(jìn)水閥，調(diào)節(jié)排水閥，使試驗(yàn)水池中的水控制在需要的水頭高度，使其中的水保持一定的水頭壓力由底部向地層滲透，經(jīng)由地層下滲后到達(dá)隧道模型內(nèi)。通過隧道模型內(nèi)布置的水壓監(jiān)測(cè)元件即可完成對(duì)水壓值的測(cè)試。在已知地層性質(zhì)、滲透系數(shù)的前提下，通過初始下滲水壓和隧道模型內(nèi)實(shí)測(cè)水壓的對(duì)比分析就能確定隧道水壓力值的計(jì)算方法，為實(shí)際隧道設(shè)計(jì)確定各種工況下水壓力數(shù)值提供參考依據(jù)。為保證隧道模型上方的模擬滲流場(chǎng)的形成與實(shí)際情況更為接近，隧道模型的地層邊界相對(duì)于隧道模型應(yīng)足夠大，以避免或減小地層邊界對(duì)隧道防排水活動(dòng)的影響，使地層的地下水流場(chǎng)滿足達(dá)西定律，地下水能夠沿地層裂隙、節(jié)理滲透。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法選擇在天然地層中開挖隧道模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際隧道更具類似性，具有可以直接模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道開挖和支護(hù)引起的地下水滲流變化情況的特點(diǎn)，使之模擬實(shí)際滲流場(chǎng)的效果更好、數(shù)據(jù)更接近真實(shí)，且數(shù)據(jù)采集便捷。通過進(jìn)水和排水閥調(diào)節(jié)可以靈活控制試驗(yàn)需要的水頭高度，可以進(jìn)行無支護(hù)、襯砌支護(hù)、全排水和無排水等多種形式的水壓試驗(yàn)，為實(shí)際隧道設(shè)計(jì)確定各種工況下水壓力數(shù)值提供更為可靠的參考依據(jù)。適合對(duì)長大富水隧道地下水滲流變化和水壓力預(yù)測(cè)以及防排水支護(hù)的研究中應(yīng)用。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明方法的構(gòu)成示意圖。圖2為水壓測(cè)點(diǎn)布置示意圖。
具體實(shí)施例方式在鐵道部重大研究項(xiàng)目“高地應(yīng)力及富水隧道設(shè)計(jì)理論和方法研究”中，我們根據(jù)課題依托工程“貴廣鐵路三都隧道”為藍(lán)本，在中鐵西南科學(xué)研究院的蛾眉試驗(yàn)基地建立了水壓力試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)本發(fā)明方法進(jìn)行了驗(yàn)證。具體做法參見圖1及圖2:(I)、在試驗(yàn)基地選取一與“貴廣鐵路三都隧道”巖質(zhì)情況相近的實(shí)際砂巖地層1，在砂巖地層I中按三都隧道的實(shí)際尺寸按比例1: 7開挖出一個(gè)隧道模型2。隧道模型2實(shí)際直徑1.2m，長度15m。(2)、在距離隧道模型2上方3m的地表開挖修筑一個(gè)長6m、寬2m、深4m的試驗(yàn)水池5，直接以地表層為試驗(yàn)水池5的底部以使其中的水可以直接向其下的地層下滲。試驗(yàn)水池的大小以其蓄水量能滿足試驗(yàn)需求為準(zhǔn)。在水池5 —側(cè)壁上部和另一側(cè)壁下部分別設(shè)有進(jìn)水管6和排水管7，在進(jìn)水管6和排水管7上分別安裝有進(jìn)水控制閥門8和排水控制閥門9以控制試驗(yàn)水池5中的水頭高度。(3)、在隧道模型2內(nèi)按常規(guī)做法在隧道模型2的拱頂、兩側(cè)和底部布置了四組水壓監(jiān)測(cè)計(jì)3用于測(cè)量水壓值，通過其數(shù)據(jù)輸出線4向數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)采用江蘇巖泰儀器廠生產(chǎn)的YT-300A型水壓計(jì)及其配套數(shù)據(jù)采集儀。(4)、在隧道模型2支護(hù)前、全排水支護(hù)、不排水支護(hù)等不同工況下，調(diào)節(jié)試驗(yàn)水池5的進(jìn)水控制閥門8和排水控制閥門9讓試驗(yàn)水池5中的水按lm、2m、4m等不同的水頭高度進(jìn)行下滲，穿過地層I后，涌流到隧道模型2內(nèi)。在隧道模型2內(nèi)埋設(shè)的水壓監(jiān)測(cè)計(jì)3將監(jiān)測(cè)到的水壓值通過數(shù)據(jù)線4傳輸給數(shù)據(jù)采集儀即可完成隧道模型各點(diǎn)的水壓力值分布及其變化規(guī)律的量測(cè)，進(jìn)而可以根據(jù)相似理論進(jìn)行實(shí)際隧道水壓力計(jì)算分析。根據(jù)本試驗(yàn)成果應(yīng)用到三都隧道得到的水壓力數(shù)值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水壓值非常接近，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。
權(quán)利要求
1.一種隧道水壓力模型試驗(yàn)方法，其特征是所述的方法包括以下步驟: (1)、在實(shí)際地層中開挖一個(gè)以欲開挖隧道為藍(lán)本按一定比例縮小的隧道，構(gòu)成一個(gè)隧道模型， (2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個(gè)試驗(yàn)水池，試驗(yàn)水池上部和下部分別設(shè)有帶控制閥門的進(jìn)水管和排水管， (3)、在隧道模型內(nèi)各主要常規(guī)監(jiān)測(cè)部位埋設(shè)水壓監(jiān)測(cè)計(jì)， (4)、在隧道模型支護(hù)前、支護(hù)后及全排水、不排水等不同工況下，調(diào)節(jié)進(jìn)水管和出水管的控制閥門讓水池中的水根據(jù)試驗(yàn)需要，以不同的水壓力進(jìn)行下滲，通過隧道模型內(nèi)布置的水壓監(jiān)測(cè)計(jì)即可量測(cè)得出在各種工況下隧道內(nèi)水壓力值及其變化規(guī)律。
全文摘要
一種隧道水壓力模型試驗(yàn)方法，屬隧道水荷載技術(shù)研究領(lǐng)域。本方法包括以下步驟(1)、在實(shí)際地層中開挖一個(gè)隧道模型，(2)、在隧道模型上方以原地表層為池底修筑一個(gè)試驗(yàn)水池，試驗(yàn)水池上部和下部分別設(shè)有帶控制閥門的進(jìn)水管和排水管，(3)、在隧道模型內(nèi)埋設(shè)水壓監(jiān)測(cè)計(jì)，(4)、在隧道模型支護(hù)前、支護(hù)后及全排水、不排水等不同工況下，調(diào)節(jié)進(jìn)水管和出水管的控制閥門讓水池中的水以不同的水壓力進(jìn)行下滲，通過隧道內(nèi)布置的水壓監(jiān)測(cè)計(jì)即可量測(cè)得出在各種工況下隧道內(nèi)水壓力值及其變化規(guī)律。適合對(duì)長大富水隧道地下水滲流變化和水壓力預(yù)測(cè)以及防排水支護(hù)的研究中應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01V9/00GK103176220SQ201110442038
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者李蒼松, 丁建芳, 谷婷 申請(qǐng)人:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司