施工及运营期隧道渗流场模型试验系统及其试验方法

摘要

一种施工及运营期隧道渗流场模型试验系统及其试验方法，试验系统包括渗流模型箱的箱体和数据采集装置，箱体的顶部设有压力表，侧壁底部设有溢流孔，侧壁顶端和底端分别设有模型箱上进水孔和模型箱下进水孔；相对的两侧壁上开有隧道孔；固定钢筋笼的两端固定于隧道孔孔缘内壁上，其外包裹隔土层；法兰盘的外圈螺栓固定于隧道孔孔缘外壁上，内、外钢筋笼分别均通过法兰盘固定于隧道两隧道孔之间；法兰盘的内孔设有盖板；在内外钢筋笼之间螺纹连接施工期隔土板；在内钢筋笼内螺纹固定掌子面挡水板；且二者位于同一垂向截面上。该系统可方便、准确、真实地测试渗流场作用下隧道施工、运营期的渗流场情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一直施工及运营期隧道渗流场模型试验系统及其试验方法，属于土木工程试 验领域。

背景技术

隧道长期渗漏水可能导致隧道外地下水大量流失、地下水位下降、地表水源枯竭，伴随 着水土流失、植被破坏、地面塌陷等发生；对隧道结构而言，渗漏水易造成衬砌变形、拱 顶塌方，加速锚杆和拱架的腐蚀，同时侵蚀隧道内附属设施，此外，路面积水还会使行车 环境恶化，影响行车安全，破坏路面质量。由此可见，解决隧道渗漏水问题将有助于保证 隧道结构安全、延长其使用寿命、保护周围生态环境，其核心就是要了解隧道结构与渗流 场体之间的关系。隧道开挖的各个阶段，地下渗流场会随之改变，采用隧道渗流场模型试 验装置及其试验方法对地下渗流场进行测试，是研究地下水变化、水压力对隧道结构的影 响及隧道涌水量等的一种重要手段。

国内众多科研院所先后对矿山法和盾构隧道中的水问题进行了模型试验设计：

(1)《岩石力学与工程》2007年第5期介绍了一种高水压隧道渗流场试验装置系统， 由水压力加载装置、密闭箱体、隧道结构和水压力测试装置4部分组成，密闭箱体用钢板、 槽钢和工字钢焊接加工而成，尺寸为2m×1m×1.3m，该系统仅能在恒定静水头作用下对圆 形预制隧道结构进行模拟试验，无法实现隧道施工各阶段渗流场以及动水头和变水头的模 拟。

(2)专利权人为西南交通大学，中国专利申请号201120000959.7介绍了一种盾构隧道 泄水式管片衬砌模型试验箱。该试验箱包括密闭承压的箱体、圆形PVC管构成的隧道模型 以及储水容器，可以研究泄水式管片衬砌对围岩孔隙水压力和泄流量的影响，但不能体现 动水头和变水头的影响，也无法模拟对隧道施工有重大影响的注浆层。

(3)专利权人为山东大学，中国专利申请号201110412569.5介绍了一种海底隧道流固 耦合模型试验系统及其试验方法，包括高强度刚性试验结构架、高强度钢化玻璃密封箱、 监测显示系统、计算机控制平台和压力水箱，可模拟平面及准三轴流固耦合模型试验，但 无法实现对注浆加固层和不同渗透系数衬砌的模拟，也不能对不同水头下隧道的涌水量和 排水量进行预测。

综合分析上述单位的模型试验系统，还存在以下不足之处：

1、上述模型试验系统水头通常恒定不可调控，模拟地下水位效果单一，难以有效支撑 隧道全线施工，更无法对不同地下水位高度的城市隧道、山岭隧道和海底隧道进行渗流场 分析。

2、隧道施工期是隧道修建的重要阶段，了解隧道施工期渗流场变化、预测涌水量、测 试围岩—支护体系的水压力分布以及掌子面注浆的影响，对隧道工程能否顺利完成至关重 要，而上述试验系统均无法完成隧道修建阶段的渗流场分析。

3、隧道周边围岩注浆加固区渗透系数和厚度的改变对地下渗流场影响较大，也会直接 改变隧道结构的水压力和涌(排)水量，现有的模型试验装置均没有考虑或不能调整，即 使可调整，也只能通过更换箱体内的预埋土体实现，操作繁琐，对试验造成较大干扰，且 耗时过长，不利于多次重复试验。

发明内容

本发明的第一发明目的是提供一种施工及运营期隧道渗流场模型试验系统。该系统能够 方便、准确、真实地测试渗流场作用下隧道施工、运营期的水压力、涌(排)水量和渗流 场变化，并可根据试验需求对围岩、注浆加固区、掌子面预注浆区和初衬的参数进行自由 配置和更换，最大限度地还原隧道及其周边渗流场的情况。

本发明实现其第一发明目的采取的技术方案是：一种施工及运营期隧道渗流场模型试验 系统，包括渗流模型箱的箱体和采集水压和渗流量的数据采集装置，所述箱体顶部设有压 力表，箱体侧壁底部设有排水的溢流孔，其结构特点是：

与现有技术相比，本发明实现其第一发明目的采取的技术方案的有益效果是：

1.通过在箱体中隔土层外填充不同的岩土体模拟围岩，从而可模拟出隧道的不同水 文、岩土地质条件，将模型箱上进水孔与提供水头的供水设备连接，即可很好地模拟海底 隧道的渗流场；；将模型箱下进水孔与提供水头的供水设备连接，即可很好地模拟城市隧道、 山岭隧道的渗流场；从而对隧道工程的防渗设计和施工提供可靠的试验依据，以保证隧道 的安全。

2.除了固定钢筋笼和箱体之间是固定的，其余部分均为可拆卸结构，灵活性强；可在 固定钢筋笼外填充的围岩不变的情况下，更换内钢筋笼和外钢筋笼之间的岩土体，模拟在 同样的围岩条件下，不同的渗透系数的注浆加固区(内钢筋笼和外钢筋笼之间的区域)对 隧道渗流量的影响；还可根据实际情况调整隧道结构的衬砌和二衬，操作简单，实用性强。

3.通过法兰盘内圈螺栓和卡槽的设计，即可实现注浆加固区和隧道结构的单独模拟控 制，实用性和灵活性较强。

4.施工期隔土板和掌子面挡水板与内钢筋笼和外钢筋笼之间通过螺纹连接，可根据实 际试验要求改变施工期隔土板和掌子面挡水板的位置，从而模拟测出施工期隧道开挖至不 同位置处的隧道渗流场及其涌水量，对隧道工程的设计和施工提供可靠的试验依据，保证 隧道施工的安全。

进一步，本发明所述的模型箱上进水孔或模型箱下进水孔与移动式水箱装置相连，所述 移动水箱装置的具体结构是：移动式水箱置于升降式水箱架的升降台上、移动式水箱的进 水口通过软管与设置于升降台下方的固定式水箱内部的潜水泵连接，移动式水箱底部的出 水口通过软管与模型箱上进水孔或模型箱下进水孔相连。

这样，通过控制移动式水箱装置，对隧道处于静水头、变水头和动水头的状态进行研究； 可真实地测试动水头、静水头和变水头作用下隧道施工、运营期的水压力、涌(排)水量 和渗流场变化。

本发明的第二发明目的是提供一种用上述的施工及运营期隧道渗流场模型试验系统模 拟施工期隧道渗流场的试验方法。通过该方法能够方便、准确、真实地测试渗流场作用下 隧道施工的水压力、涌水量和渗流场变化，并可根据试验需求对围岩、注浆加固区、掌子 面预注浆区和初衬的参数进行自由配置和更换，最大限度地还原隧道及其周边渗流场的情 况。

本发明实现其第二发明目的所采取的技术方案是：一种用上述的施工及运营期隧道渗流 场模型试验系统模拟施工期隧道渗流场的试验方法，其步骤如下：

A.将模拟围岩的岩土体按设定的压实度分层铺设、填充入渗流模型箱的箱体中；并在 岩土层中预埋水压力计；

B.在外钢筋笼和内钢筋笼之间的施工期隔土板的右侧填充模拟围岩的岩土体，在施工 期隔土板的左侧填充模拟注浆加固区岩体的加固岩土层，在加固岩土层中预埋水压力计； 将土工布贴合于掌子面挡水板左侧的内钢筋笼内壁上，以模拟隧道的衬砌；

C.在内钢筋笼内的掌子面挡水板右侧填满模拟围岩的岩土体，盖上右侧的法兰盘的盖 板；

D.将移动式水箱底部的出水口与模型箱上进水孔或模型箱下进水孔相连，并将移动式 水箱调节至设定的高度；

E.采集内钢筋笼和外钢筋笼之间的岩土体的水压，箱体内铺设的岩土体的水压和未盖 上盖板的法兰盘处流出的水量；结束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道 施工期的渗流场分布及隧道在掌子面挡水情况下的涌水量；

F.拆除内钢筋笼内的掌子面挡水板，重新采集内钢筋笼和外钢筋笼之间的岩土体的水 压，箱体内铺设的岩土体的水压和未盖上盖板的法兰盘处流出的水量；结束试验，即模拟 得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道施工期的渗流场分布及总涌水量。

本发明的第三发明目的是提供一种用上述的施工及运营期隧道渗流场模型试验系统模 拟运营期隧道渗流场的试验方法。该方法能够方便、准确、真实地测试渗流场作用下隧道 运营期的水压力、排水量和渗流场变化，并可根据试验需求对围岩、注浆加固区、衬砌的 参数进行自由配置和更换，最大限度地还原隧道及其周边渗流场的情况。

本发明实现其第三发明目的所采取的试验方案是：一种用上述的施工及运营期隧道渗流 场模型试验系统模拟运营期隧道渗流场的试验方法，其步骤如下：

A.拆除外钢筋笼和内钢筋笼之间的施工期隔土板和内钢筋笼内的掌子面挡水板；

B.将模拟围岩的岩土体按不同压实度分层铺设、填充入渗流模型箱的箱体中；并在岩 土体中预埋水压力计；

C.在外钢筋笼和内钢筋笼之间填充模拟注浆加固区岩体的加固岩土层，并在加固岩土 层中预埋水压力计；将土工布贴合于内钢筋笼内壁上，以模拟隧道的衬砌；在内钢筋笼内 置入端面呈马蹄形的管状预制混凝土二衬；

D.将移动式水箱底部的出水口与模型箱上进水孔或模型箱下进水孔相连，并将移动式 水箱调节至设定的高度；

E.采集内钢筋笼和外钢筋笼之间的岩土体的水压，箱体内铺设的岩土体的水压和法兰 盘处流出的水量；结束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道运营期的渗流 场分布及排水量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明实施例整体剖面结构示意图(未画移动式水箱装置)。

图2为本发明实施例在进行施工期隧道渗流场试验时，测量隧道在掌子面挡水情况下的 涌水量的剖面结构示意图(未画移动式水箱装置)。

图3为本发明实施例在进行施工期隧道渗流场试验时，测量隧道总涌水量的剖面结构示 意图(未画移动式水箱装置)。

图4为本发明实施例在进行运营期隧道渗流场试验时的剖面结构示意图(未画移动式水 箱装置)。

图5为本发明实施例在模拟海底隧道的渗流场时与移动式水箱装置的连接示意图。

图6为本发明实施例在模拟城市隧道、山岭隧道的渗流场时，与移动式水箱装置的连接 示意图。

具体实施方式

图1示出，本发明的一种具体实施方式是：一种施工及运营期隧道渗流场模型试验系统， 包括渗流模型箱的箱体1和采集水压和渗流量的数据采集装置，所述箱体1顶部设有压力 表2，箱体1侧壁底部设有排水的溢流孔5，其结构特点是：

所述的箱体1的侧壁顶端设有模型箱上进水孔12，侧壁底端设有模型箱下进水孔13； 箱体1相对的两侧壁上开有隧道孔；

固定钢筋笼6的两端焊接固定于隧道孔的孔缘内壁上，外钢筋笼7及外钢筋笼7内的内 钢筋笼8两端对准隧道孔，且内钢筋笼8的两端通过法兰盘3的内圈螺栓3a与法兰盘3连 接，法兰盘3的外圈螺栓3b螺纹固定于箱体1的隧道孔的孔缘外壁上，外钢筋笼7的两端 卡合于法兰盘3内表面的卡槽上；法兰盘3上设有可盖住法兰盘3内孔的盖板4；

固定钢筋笼6、内钢筋笼8、外钢筋笼7的端面、隧道孔和法兰盘3的内孔的形状均为 马蹄形；

固定钢筋笼6外包裹有由细钢丝网和无纺布混合而成的隔土层9；

在外钢筋笼7和内钢筋笼8之间螺纹连接有施工期隔土板10；在内钢筋笼8的内表面 上螺纹固定有掌子面挡水板11；且施工期隔土板10与掌子面挡水板11位于同一垂向截面 上。

本例中所述的模型箱上进水孔12或模型箱下进水孔13与移动式水箱装置相连，所述移 动水箱装置的具体结构是：移动式水箱14置于升降式水箱架15的升降台上、移动式水箱 14的进水口14a通过软管与设置于升降台下方的固定式水箱16内部的潜水泵17连接，移 动式水箱14底部的出水口14b通过软管与模型箱上进水孔12或模型箱下进水孔13相连。 移动式水箱14底部的出水口14b通过软管与模型箱下进水孔13相连，可以模拟城市隧道、 山岭隧道的渗流场，如图6所示。移动式水箱14底部的出水口14b通过软管与模型箱上进 水孔12相连，可以模拟海底隧道的渗流场，如图5所示。

图2、图3及图1、图5示出，用本例中所述的施工及运营期隧道渗流场模型试验系统， 模拟海底隧道的施工期隧道渗流场的试验方法步骤如下：

A.将模拟围岩的岩土体按设定的压实度分层铺设、填充入渗流模型箱的箱体1中；并 在岩土层中预埋水压力计；

B.在外钢筋笼7和内钢筋笼8之间的施工期隔土板10的右侧填充模拟围岩的岩土体， 在施工期隔土板10的左侧填充模拟注浆加固区岩体的加固岩土层，在加固岩土层中预埋水 压力计；将土工布贴合于掌子面挡水板11左侧的内钢筋笼8内壁上，以模拟隧道的衬砌；

C.在内钢筋笼8内的掌子面挡水板11右侧填满模拟围岩的岩土体，盖上右侧的法兰 盘的盖板4；

D.将移动式水箱14底部的出水口14b与模型箱上进水孔12相连，并将移动式水箱14 调节至设定的高度；

E.采集内钢筋笼8和外钢筋笼7之间的岩土体的水压，箱体1内铺设的岩土体的水压 和未盖上盖板4的法兰盘3处流出的水量；结束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条 件下的隧道施工期的渗流场分布及隧道在掌子面挡水情况下的涌水量；

F.拆除内钢筋笼8内的掌子面挡水板11，重新采集内钢筋笼8和外钢筋笼7之间的岩 土体的水压，箱体1内铺设的岩土体的水压和未盖上盖板4的法兰盘3处流出的水量；结 束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道施工期的渗流场分布及总涌水量。

图2、图3及图1、图6示出，用本例中所述的施工及运营期隧道渗流场模型试验系统， 模拟城市隧道或山岭隧道的施工期隧道渗流场的试验方法步骤如下：

A.将模拟围岩的岩土体按设定的压实度分层铺设、填充入渗流模型箱的箱体1中；并 在岩土层中预埋水压力计；

B.在外钢筋笼7和内钢筋笼8之间的施工期隔土板10的右侧填充模拟围岩的岩土体， 在施工期隔土板10的左侧填充模拟注浆加固区岩体的加固岩土层，在加固岩土层中预埋水 压力计；将土工布贴合于掌子面挡水板11左侧的内钢筋笼8内壁上，以模拟隧道的衬砌；

C.在内钢筋笼8内的掌子面挡水板11右侧填满模拟围岩的岩土体，盖上右侧的法兰 盘的盖板4；

D.将移动式水箱14底部的出水口14b与模型箱下进水孔13相连，并将移动式水箱14 调节至设定的高度；

E.采集内钢筋笼8和外钢筋笼7之间的岩土体的水压，箱体1内铺设的岩土体的水压 和未盖上盖板4的法兰盘3处流出的水量；结束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条 件下的隧道施工期的渗流场分布及隧道在掌子面挡水情况下的涌水量；

F.拆除内钢筋笼8内的掌子面挡水板11，重新采集内钢筋笼8和外钢筋笼7之间的岩 土体的水压，箱体1内铺设的岩土体的水压和未盖上盖板4的法兰盘3处流出的水量；结 束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道施工期的渗流场分布及总涌水量。

图4、图1及图5示出，用本例中所述的施工及运营期隧道渗流场模型试验系统，模拟 海底隧道的运营期隧道渗流场的试验方法步骤如下：

A.拆除外钢筋笼7和内钢筋笼8之间的施工期隔土板10和内钢筋笼8内的掌子面挡 水板11；

B.将模拟围岩的岩土体按不同压实度分层铺设、填充入渗流模型箱的箱体1中；并在 岩土体中预埋水压力计；

C.在外钢筋笼7和内钢筋笼8之间填充模拟注浆加固区岩体的加固岩土层，并在加固 岩土层中预埋水压力计；将土工布贴合于内钢筋笼8内壁上，以模拟隧道的衬砌；在内钢 筋笼8内置入端面呈马蹄形的管状预制混凝土二衬；

D.将移动式水箱14底部的出水口14b与模型箱上进水孔12相连，并将移动式水箱14 调节至设定的高度；

E.采集内钢筋笼8和外钢筋笼7之间的岩土体的水压，箱体1内铺设的岩土体的水压 和法兰盘3处流出的水量；结束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道运营 期的渗流场分布及排水量。

图4、图1及图6示出，用本例中所述的施工及运营期隧道渗流场模型试验系统，模拟 城市隧道或山岭隧道的运营期隧道渗流场的试验方法步骤如下：

A.拆除外钢筋笼7和内钢筋笼8之间的施工期隔土板10和内钢筋笼8内的掌子面挡 水板11；

B.将模拟围岩的岩土体按不同压实度分层铺设、填充入渗流模型箱的箱体1中；并在 岩土体中预埋水压力计；

C.在外钢筋笼7和内钢筋笼8之间填充模拟注浆加固区岩体的加固岩土层，并在加固 岩土层中预埋水压力计；将土工布贴合于内钢筋笼8内壁上，以模拟隧道的衬砌；在内钢 筋笼8内置入端面呈马蹄形的管状预制混凝土二衬；

D.将移动式水箱14底部的出水口14b与模型箱下进水孔13相连，并将移动式水箱14 调节至设定的高度；

E.采集内钢筋笼8和外钢筋笼7之间的岩土体的水压，箱体1内铺设的岩土体的水压 和法兰盘3处流出的水量；结束试验，即模拟得出特定围岩、注浆加固条件下的隧道运营 期的渗流场分布及排水量。